Ph.D докторант Ахауова Г.К.,  Асанов А.А. к.х.н.,профессор

 Таразский государственный университет им. М.Х.Дулати. г.Тараз, Казахстан.

 

ВЛИЯНИЕ рН СРЕДЫ РАСТВОРА НА СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТА СОПОЛИМРИЗАЦИИ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ И АКРИЛ АМИДА

         Последние годы интенсивное использование плодородных покровов земельных ресурсов привели к изменению не только химического, но и механического состава почв [1], так как обработка почв с применением различных технических средств и минеральных, органических удобрении способствуют разрушению естественной структуры почв, вследствие чего ухудшается экологическое состояние, и усиливается отрицательное влияние на окружающую среду [2,4].

         Поэтому в настоящее время для предотвращения процесса эрозии и в целях улучшения экологического состояния и уменьшения отрицательного влияния на аэро- и гидросферу эродированных почв [3] рекомендуется использовать низко- и высокомолекулярные водорастворимые полимеры-структурообразователи, содержащие различные свободные активные функциональные группы, способные взаимодействовать с мелкими частицами и образовывать крупные прочные агрегаты, которые устойчивы к различным внешним воздействиям [4]. Для этого проводится целенаправленный синтез водорастворимых полимеров-полиэлектролитов (ПЭ) и исследование структурообразования бесструктурных почв при добавлении растворов, имеющих различные значения рН и концентрации, так как образование структуры почвы в присутствии ПЭ зависит от молекулярной массы полимера, вида, плотности, расположения, природы функциональных групп, конформационного состояния макромолекулы, которое изменяется в зависимости от ионной силы, значения рН и концентрации растворов ПЭ [5].

         В связи  с этим, в данной работе изучен процесс структурообразования бесструктурной почвы Жамбылского региона в присутствии карбоксид-, амидсодержащих водорастворимых полиэлектролитов, отличающихся видом расположением, плотностью функциональных групп и значением рН, а также  имеющих различные концентрации. В качестве ПЭ – структурообразователя были выбраны карбоксидсодержащие ПЭ: полиакриловая кислота (ПАК), продукт сополимеризации  малеиновой кислоты (МК)  с акриловой кислотой (АК)  при соотношении мономерных звеньев (1,0∙∙∙4,0 моль) (МКАК -3-Н) а также продукт сополимеризации  малеиновой кислоты с акриламидом (АА) МКАА-3-Н, полученные в водной среде  при исходных значениях  рН.

          Структурообразование бесструктурных почв оценивалось по изменению количества водопрочных агрегатов (ВПА) по [6] в присутствии 0,1г/дл ПЭ с различными значениями рН растворов. Характеристику растворов ПЭ в зависимости от рН  определяли, измеряя вязкость (η), электропроводность (χ) и оптическую плотность (D).  Регулирование значений рН осуществляли  добавлением 0,1н растворов соляной кислоты (НCI) или диметиламина (ДМА).

Приведенные результаты (табл.1) свидетельствуют о наличии взаимосвязи между физико-химическими и коллоидно-химическими свойствами,  на что указывает тот факт, что по мере роста значения рН растворов, величина вязкости (η) проходит через максимум, а электропроводность (χ) через минимум. Это может быть связано с тем, что в результате нейтрализации карбоксидных групп увеличивается количество ионизированных функциональных групп,  что приводит к взаимному отталкиванию, вследствие чего макромолекула ПЭ переходит от относительно свернутого  состояния к развернутому, а это в свою очередь приводит к увеличению значения вязкости. Минимальное значение электропроводности (χ) в нейтральной области рН объясняется тем, что в этом интервале количество ионизированных функциональных групп и противоионов примерно близки.

А увеличение   электропроводности при кислых или сильнощелочных значениях рН связано с наличием свободных низкомолекулярных электролитов,  участвующих в переносе электрического тока, что приводит не только к росту электропроводности (χ),  но и  ионной силы раствора и,  соответственно, к    уменьшению вязкости (η) (Рис.1).

                                                                                                      Таблица 1

Изменение вязкости (η), электропроводности (χ), оптической плотности (D) и количества ВПА(%) в зависимости от  значения рН растворов ПЭ

 

№

п/н

Значение

рН

ηуд

Кэмп

ηуд/С

D

χуд · 10-4,

ом-1.см-1

ВПА,

%

ЭСД

1

2

3

4

5

6

7

8

9

МКАА-3-Н

1

1,45

0,01

1,00

1,00

0,00

39,00

23,50

1,00

2

2,15

0,33

2,06

3,27

0,00

9,60

27,30

1,16

3

3,05

0,45

5,57

4,54

0,00

4,00

34,50

1,47

4

5,20

1,83

31,69

18,34

0,00

3,80

40,00

1,70

5

7,30

4,14

52,72

41,42

0,00

8,80

46,00

1,96

6

8,25

5,71

49,34

57,14

0,00

11,00

59,50

2,53

7

9,10

5,80

45,45

58,00

0,00

64,00

13,60

2,72

8

10,15

6,43

40,23

64,28

0,00

68,50

16,80

2,92

9

11,45

5,00

1,00

50,00

0,00

39,00

69,50

2,92

МКАК-3-Н

1

1,45

0,10

1,00

1,00

0,00

38,90

23,50

1,00

2

2,15

0,23

2,70

2,27

0,00

16,36

28,50

1,21

3

3,05

0,35

3,54

3,54

0,00

7,36

32,50

1,38

4

5,20

7,86

70,86

78,57

0,00

3,40

50,00

2,22

5

7,30

13,71

137,00

131,71

0,00

4,56

55,00

2,34

6

8,25

14,06

140,60

140,57

0,00

6,08

56,20

2,39

7

9,10

14,86

148,60

148,57

0,00

57,40

9,33

2,44

8

10,15

14,14

144,20

141,42

0,00

58,20

14,50

2,48

9

11,45

13,63

136,30

136,28

0,00

20,50

60,10

2,56

ПАК-Н

1

1,45

0,01

0,10

1,00

0,00

35,50

23,50

1,00

2

2,15

0,23

2,27

2,27

0,00

11,20

25,30

1,08

3

3,05

0,35

3,54

3,54

0,00

3,15

31,20

1,33

4

5,20

11,07

110,66

110,66

0,00

1,76

40,00

1,70

5

7,30

17,93

179,33

179,30

0,00

1,09

55,00

2,34

6

8,25

18,05

180,50

180,50

0,00

1,75

60,50

2,57

7

9,10

9,00

90,60

90,00

0,00

65,30

2,15

2,78

8

10,15

7,93

79,33

79,33

0,00

61,40

4,40

2,62

9

11,45

6,20

62,00

62,00

0,00

13,20

58,20

2,48

 

При этом во всех исследованных интервалах значений рН растворов полиэлектролиты сохраняют гомогенно-растворенное состояние, на что указывает величина оптической плотности (D). Это дает возможность изучить влияние значений рН растворов ПЭ на их структурообразующие способности. Данные показали, что количество водопрочных агрегатов (ВПА) в определенной мере зависит от рН растворов и состояния макромолекулы. Так, при увеличении вязкости (η)  соответственно растет количество водопрочных агрегатов (ВПА) бесструктурных почв. При низких значениях рН количество образовавшихся  ВПА(%) наименьшее в отличие от нейтральной и слабощелочной области. При дальнейшем увеличении рН растворов величина вязкости, хотя и несколько снижается, однако количество водопрочных агрегатов (ВПА) не только не уменьшается а, наоборот, в определенной мере увеличивается.

 

 


Подпись: χуд/с

а

Подпись: ηуд/с

б

 

Рис.1 Рис.1.(а, б). Изменение вязкости (η), электропроводности (χ)     в зависимости

от рН 01г/дл раствора ПЭ

 

Из приведенных данных (табл.1) видно, что исследуемые ПЭ проявляют наибольшее структурообразующее действие в нейтральном и слабощелочном интервале рН. Поэтому были изучены изменения физико-химических свойств  и структурообразующего действия в зависимости от концентрации образцов полиэлектролитов, полученных при значениях рН =8,0-8,5.

Проведенные эксперименты показали (табл.2), что удельная вязкость (η) и электропроводность (χ) в зависимости от концентрации  растворов  изменяются пропорционально. Наоборот, приведенная вязкость (η) и электропроводность(χ) увеличиваются  по мере разбавления растворов.      Такая закономерность объясняется тем, что при разбавлении растворов ПЭ уменьшается общая ионная сила раствора полиэлектролита, что создает условия для улучшения процесса ионизации функциональных групп, которое обеспечивает развернутое состояние макроиона, а также увеличивается количество активных свободных ионизированных функциональных групп. Это изменение в определенной мере сказывается и на структурообразующем действии ПЭ. При этом во всех случаях при росте концентрации добавляемого ПЭ увеличивается количество ВПА. Однако, сравнение количество ВПА, образовавшегося в присутствии одинаковой концентрации образцов ПЭ, свидетельствует, что структурообразующее действие зависит от вида функциональных групп ПЭ (табл.2).

Таблица 2

Изменение вязкости (η), электропроводности (χ), оптической плотности (D),   структурообразующих свойств ПЭ  в зависимости от концентрации

 

№

п/н

С, ПЭ

г/дл

Значение рН

ηуд

ηуд/с

D

χуд · 10-4,

ом-1.см-1

χпр

 ВПА, %

ЭСД

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

МКАА-3-ДМА

1

0,010

7,68

1,14

114,2

0,00

1,38

138,00

26,4

14,67

2

0,025

8,05

2,14

85,68

0,00

4,25

170,00

31,2

6,93

3

0,050

8,30

3,43

68,56

0,00

6,80

136,00

43,3

9,62

4

0,100

8,65

5,99

59,85

0,00

11,03

110,30

61,4

3,41

5

0,250

8,80

9,36

37,42

0,00

17,00

68,00

87,4

1,94

6

0,500

8,95

14,29

28,57

0,00

22,14

44,34

90,0

1,00

МКАК-3-ДМА

1

0,010

8,15

2,00

200,00

0,00

1,30

130,00

31,5

22,5

2

0,025

8,50

4,45

178,16

0,00

3,92

156,80

42,0

12,00

3

0,050

8,55

8,38

167,68

0,00

6,58

131,60

50,0

7,21

4

0,100

8,70

13,84

138,42

0,00

10,46

104,60

57,5

4,11

5

0,250

8,35

22,43

89,71

0,00

17,28

69,12

65,0

1,86

6

0,500

8,95

35,14

70,28

0,00

24,28

48,56

70,0

1,00

ПАК-ДМА

1

0,010

7,82

2,40

240,30

0,00

1,23

123,00

30,0

20

2

0,025

8,00

5,38

215,32

0,00

3,75

150,00

40,0

10,67

3

0,050

8,35

9,52

190,34

0,00

6,29

125,80

51,0

6,80

4

0,100

8,60

17,57

175,71

0,00

11,08

110,80

62,5

4,17

5

0,250

8,82

27,43

109,71

0,00

16,45

65,80

70,5

1,88

6

0,500

9,05

30,86

61,71

0,00

22,76

45,52

75,0

1,00

 

Такое различие особенно ярко видно при сравнении эффекта структурообразующего действия (ЭСД) полиэлектролитов,  вычисленного по формуле [7]. В основном ЭСД полиэлектролита усиливается по мере уменьшения концентрации. Это может быть объяснено  тем, что при разбавлении растворов макромолекула имеет большое количество активных свободных функциональных групп и наибольшую длину макроцепи, что положительно сказывается на процессе взаимодействия  ПЭ с мелкими частицами почвы. В этом случае экспериментально доказано, что нейтрализация карбоксидных групп органическими аминами положительно сказывается на усилении структурообразующего действия исследованных ПЭ. При этом степень увеличения структурообразующего эффекта в определенной мере зависит от природы и состава функциональных групп, влияющих на конформационное состояние макромолекулы.

Таким образом установлено, что на физико-химические свойства растворов ПЭ и структурообразующее действие исследованных полиэлектролитов существенное влияние оказывают значения рН растворов ПЭ, состав, соотношение, расположение,  а также природа функциональных групп, меняющиеся в зависимости от рН и вида нейтрализующего реагента.

 

Литература:

1. Качинский Н.А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения.-М.: Изд. АН СССР.- 1958. –с. 12

2.Черников В.А., Алексахин Р.М., Голубев А.В. и др. Агроэкология. -М.: Колос.- 2000.-144 с.

3. Лопырев М.И., Рябов Е.И. Защита земель от эрозии и охрана природы.- М.:Агропмиздат.- 1989.-С. 42-43.

4. Ахмедов К.С, Асанов А.А. и др. Устойчивость и структурообразование в дисперсных системах.- Ташкент: Изд. ФАН.- 1976. -108 с.

5. Junping Zhang, et.al. //Ind. Eng. Chem. Res.- 2006.-№45. –Р.48-53.

6. Ахмедов К.С. и др. Водорастворимые полимеры и их взаимодействие с дисперсными системами.- Ташкент: Изд.  ФАН.- 1969.- С. 2,76

7. Асанов А. //Материалы Республиканской научно-практической конференции «Математическая наука и ее вклад в развитие прикладных научных исследований» Тараз, 2010. –С.76-79.