VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA CHEMICKÁ DIPLOMOVÁ PRÁCE. Využití termoanalytických metod při studiu lignitických huminových látek

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA CHEMICKÁ

DIPLOMOVÁ PRÁCE Využití termoanalytických metod při studiu lignitických huminových látek

BRNO 2003

JAN KOVÁŘ

2

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že diplomová práce byla vypracována samostatně a že všechny použité literární zdroje jsou správně a úplně citovány. Tato práce je z hlediska obsahu majetkem Chemické fakulty VUT v Brně a může být využita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana FCH VUT.

................................ podpis diplomanta

Rád bych poděkoval doc. ing. M. Pekařovi, CSc., vedoucímu této diplomové práce za poskytnutí cenných rad a technického zázemí. Za téměř mateřský přístup patří veliký dík ing. Jiřímu Kučeríkovi, který mi byl velikou oporou při vypracování této diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat prof. ing. Peterovi Šimonovi, DrSc. za velice cenné rady v oblasti termické analýzy. Nutno také poděkovat kolektivu laborantek laboratoře fyzikální chemie za neuvěřitelnou trpělivost.

3

SOUHRN Pomocí metod DSC, TG a FTIR spektroskopie byla studována termická stabilita a chování různých vzorků huminových kyselin extrahovaných z jihomoravského lignitu. Vzorky huminových kyselin připravených postupnou frakcionací roztoky o různém pH vykazovaly větší počet a užší tvary exotermických píků DSC křivek, což potvrdilo, že postupnou frakcionací došlo k extrakci užšího spektra molekul huminových kyselin. Výsledky naznačují, že samotný vyšší obsah aromatických struktur nezaručuje vyšší termickou stabilitu. Regenerované huminové kyseliny vykazovaly jednoznačný trend v posunu exotermických píků s časem oxidace k vyšším teplotám pouze v případě použití 2% kyseliny dusičné. U oxidace 5, 10, 15 a 20% kyselinou dusičnou jednoznačné trendy pozorovány nebyly. Indukční perioda dekompozice regenerovaných a původních huminových kyselin byla stanovena neizotermickou metodou. Nejvyšší termickou stabilitu vykazovala původní huminová matrice.

SUMMARY The thermal stability and behavior of different humic acid samples extracted from South Moravian lignite was studied. As the analytical methods DSC, TG and FTIR spectroscopy were employed. DSC analysis of humic samples prepared by sequential pH-extraction resulted in higher number and lower intensity of exothermic peaks. Experimental data confirmed the efficiency of employed extraction method leading to the separation of narrow chemical range of humic molecules. Results also indicate, the high degree of aromaticity alone is not the reason of higher thermal stability. The definable trend in shift of DSC peaks of regenerated humic acids prepared by different ways of oxidation (miscellaneous time and concentration of nitric acid) was observed only in case of the lowest oxidation agent concentration (2%). The higher concentrations lead to more complicated results. The non-isothermal method was employed with the aim to determine the induction period of regenerated humic acid decomposition. The non-treated humic sample showed the highest thermal stability.

4

OBSAH 1 ÚVOD .................................................................................................................................. 7 2 CÍL PRÁCE ......................................................................................................................... 8 3 TEORETICKÁ ČÁST........................................................................................................... 9 3.1 Definice lignitu jako materiálového systému ................................................................ 9 3.1.1 Fyzikální model struktury lignitu ........................................................................ 9 3.1.2 Konstituce lignitu ............................................................................................. 10 3.2 Huminové látky........................................................................................................... 11 3.2.1 Historie huminové chemie............................................................................... 11 3.2.2 Vznik huminových látek................................................................................... 12 3.2.2.1 Ligninová teorie................................................................................ 12 3.2.2.2 Polyfenolová teorie........................................................................... 13 3.2.3 Rozdělení huminových látek a jejich vlastnosti ............................................... 14 3.3 Huminové kyseliny ..................................................................................................... 15 3.3.1 Fyzikální a chemické vlastnosti....................................................................... 15 3.3.2 Molekulová struktura ....................................................................................... 15 3.3.3 Modely huminových kyselin ............................................................................ 16 3.3.4 Extrakce huminových látek ............................................................................. 18 3.3.5 Čištění huminových kyselin............................................................................. 20 3.4 Termická analýza (TA) ............................................................................................... 21 3.4.1 Diferenciální termická analýza (DTA).............................................................. 22 3.4.2 Diferenční kompenzační kalorimetrie (DSC)................................................... 24 3.4.3 Termogravimetrie (TG).................................................................................... 26 3.4.4 Faktory ovlivňující termoanalytické metody .................................................... 27 3.4.4.1 Vliv podmínek experimentu.............................................................. 27 3.4.4.2 Vliv vzorku........................................................................................ 27 3.4.4.3 Vliv přístroje ..................................................................................... 28 3.4.5 Popis termoanalytických křivek ....................................................................... 28 3.4.6 Studium kinetiky chemických reakcí ............................................................... 30 3.4.6.1 Diferenciální metody ........................................................................ 31 3.4.6.2 Integrální metody ............................................................................. 33 3.4.6.3 Indukční perioda............................................................................... 33 3.5 Infračervená spektroskopie ........................................................................................ 35 3.6 TA při studiu huminových látek .................................................................................. 37 4 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ................................................................................................ 42 4.1 Extrakce huminových kyselin ..................................................................................... 42 4.2 Frakcionace huminových kyselin................................................................................ 43 4.3 Oxidace lignitu............................................................................................................ 44

5

4.4 Postup měření ............................................................................................................ 44 5 VÝSLEDKY A DISKUZE ................................................................................................... 46 5.1 Elementární analýza................................................................................................... 46 5.2 FTIR spektroskopie .................................................................................................... 47 5.3 Termická analýza pH separovaných frakcí huminových kyselin ................................ 47 5.4 Termická analýza huminových kyselin extrahovaných z oxidovaného lignitu ............ 54 5.5 Výpočet indukční periody dekompozice vybraných vzorků ........................................ 61 6 ZÁVĚR............................................................................................................................... 64 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ................................................................................... 65 8 PŘÍLOHY........................................................................................................................... 70

6

1 ÚVOD Metody termické analýzy získávají v posledních desetiletích své místo mezi moderními analytickými metodami. Jejich postupný rozvoj spojený s pokrokem výpočetní techniky umožňuje pronikání do všech odvětví analytické i industriální chemie. Využití těchto metod v oblasti huminové chemie je limitováno značnou heterogenitou zkoumaného systému. I přes tuto skutečnost již dříve vzniklo několik prací týkajících se této problematiky. Huminové látky představují matrici, jejímž studiem se vědecký svět zabývá již přes dvě století. I když jsou pokroky ve výzkumu těchto sloučenin nezanedbatelné, stále ještě zbývá mnoho neobjasněných oblastí. Jednou z nich je studium pochodů souvisejících s časovým chováním látek huminového charakteru. Studium termického chování huminových látek by mělo vést k objasnění dekompozičních pochodů těchto relativně stabilních sloučenin. Dalším krokem by pak měl být vývoj metod umožňujících matematický popis jejich termického chování v závislosti na čase a tudíž kvantifikujících jejich stabilitu.

7

2 CÍL PRÁCE Cílem předkládané diplomové práce je zmapovat možnosti využití termoanalytických metod při studiu huminových látek. Jako zdroj huminových látek bude využit lignit vytěžený z neogenní pánve dolnomoravského úvalu v dole Mír, Hodonín s.r.o. Vzhledem k tomu, že termické metody jsou metody nepřímé, je v této práci také využita metoda FTIR spektroskopie. Vzhledem k vysoké heterogenitě studovaného systému a komplexní problematice termického chování huminových látek je využita metoda pH frakcionace vedoucí k homogenizaci jednotlivých frakcí. Termické chování a stabilita těchto frakcí může pomoci k objasnění této problematiky. Zvýšení obsahu huminových kyselin v lignitu oxidací kyselinou dusičnou vede k otázce, zda je možné pomocí termické analýzy a FTIR spektroskopie zmapovat kinetiku této oxidace a dedukovat reakční mechanismy z posunů maxim píků a ze změřené entalpie jednotlivých termodestrukčních procesů. Potenciální agronomická aplikace huminových látek, kde jejich stabilita hraje důležitou roli, vede k otázce, zda a jak je možné termoanalytické metody k objasnění této problematiky využít.

3 TEORETICKÁ ČÁST 3.1

Definice lignitu jako materiálového systému

Lignit představující geologicky nejmladší typ uhlí patří mezi tzv. kaustobiolity, tedy hmoty s různým stupněm prouhelnění původní fytomasy1,2. Stupněm prouhelnění leží zhruba mezi rašelinou a hnědým uhlím (tabulka 1). Právě toto relativní mládí lignitu je příčinou zajímavých kvalitativních ukazatelů, mezi které patří zejména jeho přirozená sorpční schopnost a poměrně vysoký obsah huminových kyselin3. Tabulka 1

Prvkové složení tuhých paliv

dřevo rašelina hnědé uhlí černé uhlí antracit

Uhlík (%)

Vodík (%)

Kyslík (%)

Dusík (%)

50 60 73 82 94

6 6 6 5 3

43 33 19 10 2

1 1 1 1 1

Jedná se o morfologicky a molekulárně polydisperzní systém obsahující: − − − −

3.1.1 − − −

komplex cyklano/aromatických sloučenin s významnými reaktivními skupinami, velké množství vody situované ve volném objemu lignitických partikulí a vodu fyzikálně vázanou na oxidované uhlíkaté struktury, minerální útvary na bázi sloučenin křemíku, hliníku, železa a dalších prvků, makroskopické složky náhodného původu a výskytu.

Fyzikální model struktury lignitu vláknité, destičkové a různě prostorově symetrické a nesymetrické složky o různém stupni prouhelnění, mikro- a makrodisipace příměsí, volný vnitřní objem zahrnující: kapiláry, mikrotrhliny, vakuoly

Lignit tedy představuje složitý makromolekulární komplex huminových kyselin, polysacharidů, polyaromátů, uhlíkatých řetězců modifikovaných sirnými a dusíkatými skupinami, obsahující kyslíkaté články spojené s hlavními řetězci4.

3.1.2

Konstituce lignitu

Pro hodnocení uhlí se často vystačí s tzv. jednoduchým rozborem, tj. stanovení obsahu vody, popela a výhřevnosti. V některých případech potřebujeme znát také váhový podíl uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku a síry. Tento přístup je pochopitelně vhodný při posuzování lignitu jako paliva. V této práci je ovšem lignit využit jako zdroj huminových kyselin a tudíž se tento přístup jeví jako nedostačující. Přirozená tuhá paliva tvoří svým složením řadu, v níž se stupněm prouhelnění stoupá obsah C a klesá obsah O od soudobých paliv, např. dřeva přes rašelinu, lignity a hnědá uhlí i uhlí černá různého stupně metamorfózy k antracitům. Rovněž obsah H klesá v hořlavinách uhlí téhož genetického typu se stupněm prouhelnění. Obsah vodíku v hořlavinách tuhých přirozených paliv závisí totiž nejen na druhu a složení původně nahromaděných odumřelých rostlinných zbytků, zejména na obsahu vosků a pryskyřic, nýbrž i na podmínkách diageneze a vodního režimu, v němž probíhaly biochemicky ovlivněné rozkladné reakce1. Tabulka 2

Elementární složení jihomoravského lignitu5 Látka

Hm.%

Voda Popel Hořlavina H C O S celková S organická S pyritová N Halogenidy

48 – 50 11,6 – 13,2 39,1 – 40,3 ~2,15 25,91 10,92 0,81 0,48 0,27 ~0,32 < 0,01

Vzhledem k tomu, že lignit představuje velmi složitý systém, je třeba jednotlivé obsažené chemické sloučeniny v lignitu rozdělit do několika skupin. Pomineme-li přítomnou vodu a látky minerálního charakteru, které v lignitu představují spíše náhodné přimíšeniny, můžeme je zařadit do těchto čtyř skupin: 1. rostlinné zbytky: − celulóza − hemicelulózy − pektinové látky − lignin − bílkoviny a jiné dusíkaté látky 2. huminové kyseliny 3. huminy 4. bitumen (uhelný nebo montánní vosk z lignitů, rašeliny a jiného uhlí)

10

3.2

Huminové látky

Organická hmota nalézající se na zemském povrchu představuje složitý heterogenní komplex sloučenin, které lze rozdělit na dvě základní skupiny6: -

nehuminové látky huminové látky

Mezi látky nehuminového charakteru patří proteiny, peptidy, aminokyseliny, tuky, vosky, pryskyřice, pigmenty a jiné nízkomolekulární látky. Tyto sloučeniny jsou lehce napadnutelné mikroorganismy a mají poměrně krátkou životnost. Huminové látky jsou s největší pravděpodobností nejrozšířenější organické přírodní sloučeniny na zemském povrchu7. Nalézají se v přírodních vodách, mořských a jezerních sedimentech, půdách, rašelině, lignitu, hnědém uhlí. Obsah huminových sloučenin v půdách se pohybuje od 0 do téměř 10%. V povrchových vodách je jejich obsah, vyjádřený jako rozpuštěný organický uhlík (dissolved organic carbon – DOC) od 0,1 do 50 ppm. V oceánu se DOC pohybuje v rozmezí 0,5–1,2 ppm na povrchu a u dna mezi 0,1-10 ppm8. Je to heterogenní směs sloučenin, pro které neexistuje jednotný strukturní vzorec. Jejich vlastnosti, a to jejich velikost, molekulová hmotnost, elementární složení, struktura, počet a pozice funkčních skupin závisí na původu, stáří materiálu a také na stupni humifikace, tzn. na stupni prouhelnění organické substance. Čím hlubšímu rozkladu podlehly zbytky rostlinných organismů, tím tmavěji jsou vzniklé produkty zbarvené.

3.2.1

Historie huminové chemie

Pravděpodobně první zdokumentovaný pokus o izolaci huminových látek byl proveden roku 1786 Achardem9, který alkalickým roztokem působil na rašelinu. Získal tak po následném okyselení tmavou amorfní hmotu, která se jevila v alkalickém prostředí rozpustná a v kyselém prostředí nerozpustná. Tato amorfní hmota se stala známá pod názvem huminová kyselina. Při svém výzkumu také zjistil, že bude-li extrahovat rašelinu z nižší (humifikovanější) hloubky dospěje k vyšším hmotnostním výsledkům než z povrchových, méně „rozložených“ vrstev. De Saussure10 (1804) je spojen se známým termínem „humus“ (latinský ekvivalent pro půdu). Popisuje jím tmavě zbarvený organický materiál obsažený v půdě. Zjistil také, že tento „humus“ byl bohatší na uhlík a chudší na vodík a kyslík než rostlinný materiál ze kterého vznikl.

11

První rozsáhlejší studie o původu a chemické povaze huminových látek vypracoval Sprengel11,12 mezi lety 1826-1837. Mnoho jeho objevených postupů vedoucích k preparaci huminových látek se stalo až do dnešních dnů všeobecně akceptovanými. Jedná se například o okyselení vzorku půdy před samotnou alkalickou extrakcí. Jeho největší příspěvek v chemii huminových látek je jeho rozsáhlá studie kyselé povahy huminových kyselin. Berzelius13 (1839) se pokusil rozdělit huminové látky do třech skupin podle rozpustnosti a chemických vlastností. Toto schematické rozdělení bylo později rozšířeno na základě barevnosti huminových látek a také rozpustnosti ve vodě a alkáliích. O toto rozsáhlejší rozdělení se o několik let později postaral jeho žák Mulder14. Odénova práce (1914 – 1919) poukazovala na koloidní charakter huminových látek. Ve své práci také dále označil huminové látky rozpustné ve vodě jako fulvinové kyseliny1516. Waksman17 (1936) označil „humus“ jako směs látek rostlinného původu. Zařadil zde například vosky, pryskyřice, hemicelulózy, celuózy a ligno-proteiny. Jeho metoda „přibližné analýzy“ humusu byla nakonec označena jako nevhodná, protože při analýze půd různého původu byly mezi nimi pozorovány jen nepatrné rozdíly.

3.2.2

Vznik huminových látek

Téma vzniku huminových sloučenin bylo a je po dlouhá léta tématem mnoha spekulací. Mezi nejznámější hypotézy vzniku těchto látek patří následující dvě teorie.

3.2.2.1

Ligninová teorie

Sledování rozpadu různých rostlinných složek ukazuje, že nejsnáze podléhají humifikaci látky rozpustné ve vodě, pak pentosany (hemicelulózy), a konečně celulóza. Lignin je rezistentní a hromadí se ve zbytcích rostlinného materiálu za postupné ztráty methoxylových skupin -OCH3, dále dochází k produkování o-hydroxyfenolů a oxidaci alifatických stran řetězce za tvorby –COOH skupin. Také se předpokládá, že lignin při oxidaci reaguje s amoniakem za vzniku kondenzačních produktů, ve kterých se dusík stává součástí cyklických forem. Tyto skutečnosti vedly Fischera a Schradera k představě, že matečnou substancí při vzniku huminových kyselin byl lignin a svou teorii podepřeli i experimentálně. Při ovlhčování ligninu alkáliemi za současného působení vzdušného kyslíku získali zmínění autoři látky, které svým složením odpovídaly přirozeným huminovým kyselinám, kdežto z celulózy, zpracované stejným způsobem, nevznikly žádné produkty podobného charakteru18. Tato teorie se nazývá ligninová teorie a je znázorněna na obrázku 1.

12

Obr. 1

3.2.2.2

Ligninová teorie19

Polyfenolová teorie

Ligninová teorie byla v polovině 20. století nahrazena novou, tzv. polyfenolovou teorií. Podle této teorie hraje lignin stále důležitou úlohu, ale rozdílným způsobem. V tomto případě fenolové aldehydy a kyseliny, uvolněné z ligninu působením mikroorganismů, projdou enzymatickou přeměnou na chinony. Ty polymerizují v přítomnosti aminosloučenin, ale i bez nich, za tvorby huminových makromolekul. Polyfenoly mohou být syntetizovány mikroorganismy i z neligninových zdrojů, např. z celulózy. Polyfenoly jsou pak enzymaticky oxidovány na chinony a přeměněny na huminové látky.

Obr. 2

Polyfenolová teorie20

13

Podle práce publikované Maillardem21 v první polovině dvacátého století (1916) jsou huminové látky výsledkem syntetické reakce jednoduchých látek vzniklých rozpadem částí rostlin. Těmito jednoduchými látkami byly aminokyseliny a monosacharidy. Podle Maillarda jsou přírodní huminové látky výsledkem čistě chemické reakce, ve které mikroorganismy, kromě toho že produkují cukry z uhlovodíků a aminokyseliny z proteinů, nehrají zásadní roli.

3.2.3

Rozdělení huminových látek a jejich vlastnosti

Tradiční rozdělení huminových látek je založeno na rozpustnosti ve zředěných alkalických roztocích do následující frakcí: − − −

huminové kyseliny – rozpustné v alkalických roztocích fulvinové kyseliny – rozpustné jak v alkalických, tak i v kyselých roztocích huminy – v alkalickém prostředí nerozpustný podíl humusu

Huminové kyseliny (HA) jsou frakce huminových sloučenin, které nejsou rozpustné ve vodě v kyselém prostředí (pH < 2), ale jsou rozpustné při vyšších hodnotách pH. Jsou hlavní extrahovatelnou složkou huminových látek. Jsou tmavohnědé až černé barvy. Fulvinové kyseliny (FA) jsou frakce huminových látek, které jsou rozpustné ve vodě při všech hodnotách pH. Zůstávají v roztoku po oddělení huminové kyseliny okyselením. Fulvinové kyseliny jsou světle žluté až žlutohnědé barvy. Huminy jsou frakce huminových sloučenin, která nejsou rozpustné ve vodě při žádném pH (i alkalickém). Huminy jsou černé barvy.

H u m in o v é l á t k y

F u l v o v é k y s e l in y

S v ě t le ž lu t á

T m avě ž lu t á

H u m in o v é k y s e l i n y

Š edočern á

T m avě hnědá

H u m in y

Č ern á

m ě n í s e o d s tín r o s te s tu p e ň p o ly m e r a c e

2000

r o s t e m o l e k u lo v á v á h a

300 000

k le s á r o z p u s tn o s t

Obr. 3

Schématické znázornění rozdělení huminových látek podle Stevensona22

14

Analýza látkami: − − − − −

huminových kyselin a fulvinových kyselin ukazuje následující rozdíly mezi těmito huminové kyseliny obsahují více C, ale méně O než fulvinové kyseliny huminové kyseliny obsahují více H, N a S než fulvinové kyseliny fulvinové kyseliny obsahují více COOH skupin, jsou tedy kyselejší než huminové kyseliny fulvinové kyseliny jsou bohatší na fenolickou OH skupinu a C = O vázanou v ketonu, ale huminové kyseliny mají vyšší obsah chinoidní C = O skupiny předpokládá se, že huminové kyseliny mají větší molekulovou hmotnost než fulvinové kyseliny

3.3

Huminové kyseliny

3.3.1

Fyzikální a chemické vlastnosti

Po stránce chemické se huminové kyseliny chovají jako relativně silné kyseliny, schopné rozkládat minerální soli (např. CaCO3), invertovat sacharózu a vyvíjet vodík za přítomnosti kovů. Při karbonizaci neposkytují prakticky žádný dehet, ale značné množství CO2. Účinkem silných kyselin se snadno rozkládají23. Ve své molekulové struktuře mají zabudovány jak hydrofobní, tak i hydrofilní oblasti, a proto mohou být adsorbovány na povrchu mnohých částic. V důsledku toho mají vliv na takové procesy jako je rozpustnost, koagulační schopnost a růst krystalů. Mají acidobazické vlastnosti v široké oblasti pH a řadu pozoruhodných fyzikálně-chemických vlastností, jako jsou jejich agregační schopnosti, konformační změny i povrchově aktivní chování.

3.3.2

Molekulová struktura

Otázka absolutní molekulové struktury huminových látek je velmi diskutabilní, protože se jedná o heterogenní směs, jejíž složení závisí na zdroji, metodách extrakce a dalších parametrech. Naměřené vlastnosti jsou tudíž spíše komplexem vlastností definujících daný systém24. Nejrozšířenější a donedávna akceptovanou teorií je představa, že huminové kyseliny představují vysokomolekulární a značně heterogenní směs s molekulovou hmotností až stovek tisíc Daltonů25. Huminové molekuly představují náhodně stočené polymery kde hlavním faktorem řídící molekulovou konformaci tohoto polymeru jsou koncentrace huminových látek, pH a iontová síla systému. Při vysokých koncentracích, nízkých hodnotách pH a vysokých iontových silách zaujímají globulární konformaci, zatímco při neutrálním pH, slabých iontových silách a nižších koncentrací se chovají jako flexibilní lineární koloidy6. Amfifilní charakter huminových látek vedl Wershawa26,27 k představě micelárního modelu. Hydrofobní části huminové makromolekuly jsou podle něj situovány ve vnitřní části micely, zatímco hydrofilní části molekuly tvoří mezifázi s rozpouštědlem.

15

Přestože polymerní charakter huminových látek nebyl dosud jednoznačně dokázán, je tato představa dosud nejčastěji akceptována. Nedávné výsledky z gelové chromatografie (HPSEC) huminových kyselin vedly Piccola28 k novému pohledu na tento složitý heterogenní systém. Domnívá se, že huminové kyseliny jsou složeny z menších molekul tvořících tzv. supramolekulovou strukturu stabilizovanou pouze slabými vazebnými interakcemi (van der Waalsovy, π-π a CH-π interakce) a vodíkovými vazbami.

3.3.3

Modely huminových kyselin

V současné době existuje velké množství teoretických modelů huminových kyselin. Jeden z modelů navrhl Flaig29 v roce 1960. Jeho model obsahuje velké množství chinonových jednotek (obrázek 4) a vázaných fenolických -OH skupin, ovšem jeho nedostatkem je, že ve svém modelu nepočítá s větším počtem -COOH skupin.

Obr. 4

Flaigův model huminové kyseliny

Mezi novější hypotézy můžeme zařadit Dragunovu30 představu teoretické struktury huminových kyselin. V této struktuře jsou vidět aromatické jádra di- a trihydroxybenzenového typu, dusík vázaný jak v cyklické struktuře tak i vázaný v okrajových řetězcích. Nicméně stále tento model postrádá větší množství -COOH skupin vázaných na aromatická jádra (obrázek 5).

16

Obr. 5

Dragunův model huminové kyseliny

Stevensonův6 model již obsahuje volné i vázané fenolické –OH skupiny, chinonové struktury, kyslík a dusík, spojovací vazebné jednotky a konečně i skupiny –COOH různě rozmístěných po aromatických jádrech (obrázek 6).

Obr. 6

Stevensonův model huminové kyseliny

Původní představy o struktuře huminových kyselin poukazovaly na vyšší obsah aromatické struktury v porovnání s alifatickou. Důvodem k těmto závěrům byly metody charakterizace, které preferovaly především aromatický charakter huminových kyselin. Dnešní, již podstatně citlivější a přesnější metody (např. NMR) poukazují na fakt, že podíl alifatické struktury je podstatně vyšší než se původně předpokládalo.

17

Zajímavým názorem přispěli k problematice huminových látek v roce 1963 také Dubach s Mehtou31, kteří prohlásili, že „pravděpodobně neexistují dvě molekuly huminových látek které by si byly navzájem podobné“. Ke stejným, nebo alespoň podobným závěrům došli i jiní autoři. Například v roce 1976 Gjessing32 prohlásil, že „každá molekula humusu může být jiná“ a v roce 1994 Stevenson6 uvedl „je možno říci že jen málo, pokud vůbec nějaké molekuly huminových látek jsou přesně stejné“.

3.3.4

Extrakce huminových látek

Izolaci huminových látek lze provést extrakcí různými rozpouštědly z nichž se pak okyselením vylučují tyto látky ve formě amorfních sraženin. V dnešní době je známo mnoho extrakčních metod, výběr té nejvhodnější metody však záleží na dalším použití získaného materiálu. Podle druhu extrakčního činidla můžeme extrakci provádět v prostředí alkalickém, neutrálním nebo téměř neutrálním a kyselém. Povaha použitého rozpouštědla má také vliv na složení, vlastnosti a výtěžek získaných kyselin. Pro ideální extrakční metodu by měly platit následující parametry6: - vede k izolaci nezměněného materiálu, - extrahované huminové sloučeniny neobsahují anorganické nečistoty jako jsou jíly a vícemocné kationty, - při extrakci dochází k separaci celého spektra molekulových hmotností, - metoda je univerzální pro všechny typy původního organicko-minerálního substrátu

SUBSTRÁT NaOH

HUMINY

SODNÁ SŮL KYSELINY HUMINOVÉ SODNÁ SŮL KYSELINY FULVINOVÉ HCl

HUMINOVÁ KYSELINA

FULV. KYSELINA

a malé molekuly NaOH malé molekuly

Obr. 7

FULVINOVÁ KYSELINA

Schéma postupu alkalické extrakce huminových kyselin

18

Alkalické prostředí extrakce Nejčastěji používanou metodou k separaci huminových látek je alkalická extrakce. Při aplikaci alkalické extrakce je vhodné používat nižší koncentrace hydroxylových iontů použitého extrakčního činidla, neboť působením hydroxylových iontů dochází jednak ke štěpení huminových kyselin a do roztoku přecházejí také nerozložené zbytky rostlin. Nejvhodnější je použití 0,1 – 0,5 M vodného alkalického roztoku. K získání maximálního výtěžku je pak třeba extrakci několikrát opakovat. Literatura doporučuje ještě před samotnou extrakcí působit na substrát zředěnou kyselinou chlorovodíkovou. Tento postup má za následek odstranění vápenatých uhličitanů a tím i zvýšení účinností extrakce. Obecně platí, že použití 0,1 – 0,5 M NaOH vede k extrakci cca 2/3 organické hmoty33. Obecný postup alkalické extrakce je znázorněn na obrázku 7. Použití alkalické extrakce při studiu chemické struktury má několik nevýhod: -

alkálie částečně rozpouští minerální části matrice a ty pak kontaminují organický produkt, alkálie rozpouští složky rostlinných zbytků obsažených v substrátu a ty posléze tvoří směs s humifikovanou částí organické matrice, alkalické podmínky podporují oxidaci organických složek při kontaktu se vzduchem, mohou nastávat chemické změny v matrici zahrnující kondenzaci mezi aminokyselinami a C=O skupinami aromatických aldehydů nebo chinonů za vzniku pseudohuminových sloučenin,

Na množství extrahované hmoty z půd má také vliv doba prováděné extrakce. Obecně lze říct, že s rostoucí dobou extrakce a s rostoucí koncentrací NaOH roste také množství extrahované hmoty. Důsledkem toho však může být štěpení tohoto materiálu na menší frakce. Swift a Posner34 zjistili, že při extrakci huminových kyselin v alkalickém prostředí dochází v přítomnosti kyslíku k intenzivnějšímu štěpení. Aby se zabránilo strukturním změnám doporučuje se provádět extrakci v inertní atmosféře, například v dusíku. Naproti tomu existuje několik prací v nichž autoři popírají větší vliv alkálie na chemickou strukturu získaných huminových kyselin35,36. Jak je možno vidět, otázka možného vlivu extrakčního činidla na chemickou strukturu výsledného produktu není ještě uspokojivě zodpovězena. V tomto problému je pravděpodobně ve velké míře zahrnut vliv extrahovaného materiálu a počátečního složení původní organické materie. Neutrální („mírné“) prostředí extrakce V posledních letech bylo vyzkoušeno mnoho mírnějších a selektivnějších extrakčních činidel jako alternativní náhrada klasické alkalické extrakce. Mezi tyto látky lze zařadit například pyrofosforečnan, směsi organických rozpouštědel, zředěné směsi kyselin obsahující HF, nebo roztoky oxalátů alkalických kovů. Mnohými autory je také NaF považován za mnohem „mírnější“ extrakční činidlo. Vody, jako nejjednoduššího extrakčního

19

prostředku zaručujícího neutrální prostředí, nelze v tomto případě použít, protože rozpouští jen nepatrná množství huminových kyselin. Nevýhodou všech těchto zmíněných činidel je, že jsou podstatně méně efektivní než klasická alkalická extrakce. Jako alternativní řešení slouží při extrakci huminových kyselin zařazení sledu extrakcí zahrnující jak extrakci v „mírném“ (např. pyrofosforečnan), tak i v alkalickém prostředí. Kyselé prostředí extrakce Extrakci lze provádět také v kyselém prostředí. Přísada určitých organických kyselin má za jistých okolností peptizovat huminové kyseliny, a tím je převádět do koloidních roztoků.

3.3.5

Čištění huminových kyselin

Při extrakci organické hmoty nacházející se v půdách dochází často k tomu, že s organickou hmotou se vyextrahuje značné množství anorganického podílu. Pro další analýzu je třeba tento anorganický podíl v nejlepším případě odstranit, nebo alespoň zredukovat jeho množství na minimum. V případě huminových látek je třeba vyřešit ještě jeden problém, a to jsou „organické nečistoty“ jako sacharidy a proteiny. Odstranění anorganického podílu Huminové látky extrahované z půd alkalickými roztoky a následně vysráženy v kyselém prostředí obsahují značné množství tohoto anorganického podílu. Jeho obsah se pohybuje kolem 30%. Ke značnému snížení dojde opakovaným přesrážením minerálními kyselinami a následnou úpravou iontoměničem. Další možnost jak snížit anorganický podíl na minimum je úprava směsí kyselin obsahující kyselinu fluorovodíkovou. Z publikací vyplývá jako nejvhodnější použít směs obsahující 0,3M HF + 0,1M HCl. Vzorek je poté nutno dialyzovat několik dnů proti destilované vodě. Účinnost HF redukovat anorganický podíl na minimum se vysvětluje schopností rozpustit hydratované jílové minerály a vytvořením komplexů s dvoj- a trojmocnými kationty. Odstranění organických „nečistot“ Odstranění organických „nečistot“ (nehuminových látek) od huminových kyselin je podstatně jednodušší na papíře než v laboratoři. Předpokládá se, že jsou kovalentně vázány na huminové kyseliny, a tudíž je jejich separace, aniž by došlo ke větší změně huminových kyselin, velice náročná. Mezi metody vedoucí k odstranění sacharidů a bílkovin patří hydrolýza minerálními kyselinami, gelová filtrace a extrakce fenolem. Lipidy je možné částečně odstranit takovými rozpouštědly jako je ether nebo směs alkoholu s benzenem37,38. Zahřátí vodného roztoku huminových kyselin na bod varu způsobí vyextrahování polysacharidů, polypeptidů a malého množství fenolických kyselin39. Adsorbovaný materiál je také možno odstranit kyselou hydrolýzou 0,6M HCl. Posledně zmiňovaný způsob má ovšem za následek změnu chemické struktury.

20

3.4

Termická analýza (TA)

Pod pojmem termická analýza rozumíme v současnosti soubor metod, které nám umožňují sledovat změny stavu zkoumané látky na základě měření její určité fyzikální vlastnosti jako funkce teploty, přičemž je zkoumaná látka vystavená kontrolovanému teplotnímu programu. Změny sledované fyzikální vlastnosti zkoumané látky jsou přirozeně vyvolané různými fyzikálními a chemickými ději probíhajícími při změně teploty40. Často se metody termické analýzy spojují s jinými metodami, takže lze uspokojivě popsat chování tepelně namáhaných vzorků. Nejčastější bývá spojení s metodami chromatografickými a s IR spektroskopií41. Z několika desítek termoanalytických metod jsou tři metody výrazně nejdůležitější a tyto tři metody jsou předmětem poloviny, až tří čtvrtin všech prací z oblasti termické analýzy40. Mezi tyto metody zařazujeme diferenční termickou analýzu (DTA), termogravimetrii (TG) a diferenční kompenzační kalorimetrii (DSC). Rozdělení termoanalytických metod: − − −

metody spojené se změnou hmotnosti zkoumané látky (TG, DTG) metody spojené se změnou tepelných vlastností látky (DSC, DTA) metody spojené se změnou jiných fyzikálních vlastností látky (TMA)

Oblast využití termické analýzy pro charakterizaci látek je velice široká, její hlavní techniky a příklady použití jsou uvedeny v tabulce 3. Tabulka 3 Metoda DTA

DSC

TG

Nejčastěji používané metody termické analýzy Měřená veličina Příklady využití Rozdíl teplot mezi vzorkem a Měření teplot přechodů (tání Tm, skelného referenční látkou přechodu Tg, krystalizace Tc), stupeň krystalinity, entalpie tání, tepelné zabarvení, Tepelná energie nutná ke entalpie síťování a vytvrzování, reakční kompenzaci rozdílu teplot mezi kinetika, oxidační stabilita, účinnost vzorkem a referenční látkou antioxydantů, analýza kopolymerů a směsí polymerů Změny hmotnosti vzorku Termická a oxidační stabilita, účinnost retardérů hoření, těkání nízkomolekulárních produktů, stanovení obsahu vlhkosti, plniv a popela, kontrola receptur.

21

Historický vývoj Z historického hlediska patří termoanalytické metody k nejstarším metodám výzkumu přírody. Vznik termické analýzy spadá do období, kdy si lidé poprvé všimli, že některé kameny v okolí jejich ohniště se vlivem tepla mění (praskají, taví se, mění barvu a podobně). Zaznamenat přesněji toto období před mnoha tisíci let je prakticky nemožné. Neumíme ani přibližně určit dobu, kdy naši předkové poprvé ovládli oheň, přičemž ovládnutí ohně v rozhodující míře ovlivnilo další chod lidských dějin. Teplo bylo použité na identifikaci minerálů a hornin podle zachovaných písemných záznamů Theofrasta už 300 let před naším letopočtem. Popsal základy mineralogického systému na základě barvy, hustoty, tvrdosti a tavitelnosti nerostu. Využívání poznatků o vlivu tepla na různé vlastnosti látek od té doby obrovsky pokročilo. Skutečnost, že v období před 19. stoletím nebyl zaznamenaný výraznější pokrok v termické analýze, se dá vysvětlit tím, že přesné stanovení teploty bylo spojené se značnými těžkostmi. Všeobecně je možno konstatovat, že termická analýza se jako vědní disciplína začala konstituovat až v druhé polovině 19. století. Kvalitativní skok ve vývoji termické analýzy nastal, když William Chandler Roberts-Austen (1843-1902) přišel na myšlenku měřit namísto teploty zkoumané látky teplotní rozdíl mezi zkoumanou látkou a nějakým referenčním materiálem v závislosti na stoupající teplotě40.

3.4.1

Diferenciální termická analýza (DTA)

Diferenciální termická analýza (DTA) je dynamická, tepelně analytická metoda založená na měření rozdílu teplot v závislosti na teplotě mezi zkoušeným a standardním vzorkem, přičemž jsou vzorky zkoumané látky a referenčního materiálu vystavené stejnému kontrolovanému teplotnímu programu. Jako referenční látka se používá taková látka, která nepodléhá ve studovaném teplotním intervalu žádným změnám, má podobnou tepelnou kapacitu, tepelnou vodivost a zrnitost. Nejčastěji se používá prázdná miska. Chemické a fyzikální změny probíhající při určitých teplotách ve zkoumané látce se projevují snížením nebo zvýšením její teploty v porovnání s teplotou referenčního materiálu. Takto tepelně zabarvené reakce se ve výsledné křivce ∆T = f(T) projeví maximy a minimy. Konkrétně může jít o tyto fyzikální děje: modifikační změny, krystalizace, absorpce, adsorpce, desorpce, var, sublimace. V případě chemických dějů: reakce v tuhé fázi, reakce v tavenině, chemický rozklad, reakce s plynnou fází, oxidace, redukce, dekarbonizace. Využití diferenciální termické analýzy: -

ke kvalitativní a semikvalitativní analýze jednoduchých materiálů i komplexních směsí, DTA vyniká především jako jednoduchá identifikační metoda, ke sledování kinetiky a mechanismu některých reakcí, k určováni reakčních a měrných tepel, ke studiu konstituce a fázových podobností látek,

22

Teplota se při DTA měří termočlánkem. Rozdíl teplot se měří referenčním termočlánkem v tzv. diferenčním zapojení. Pro zaznamenání teplotního efektu není rozhodující celkové množství uvolněného nebo pohlceného tepla, ale množství tepla, které se uvolní za jednotku času dQ/dt. Tato veličina také určuje citlivost zařízení. Každý efekt na křivce DTA je možno charakterizovat několika teplotními body, případně plochou efektu. Kvalitativní vyhodnocení křivky DTA Významné místo má DTA jako metoda identifikační. DTA křivky jsou pro jednotlivé materiály charakteristické a mohou sloužit k dešifrování naměřených křivek a identifikaci materiálu ve sledovaném vzorku. Při kvalitativním vyhodnocení se sleduje jak poloha tepelných efektů, tak i jejich tvar a vzájemná velikost. Kvantitativní vyhodnocení křivky DTA Experimentálně bylo zjištěno, že tepelné zabarvení i hmotnost aktivní části vzorku je přímo úměrné ploše efektu na křivce DTA například podle vztahu, který zanedbává teplotní spád ve vzorku i závislost plochy efektu na měrném teple vzorku. t

M a ∆H 2 = ∫ ∆Tdt = ∆S g ⋅ λ1 t1

(1)

kde Ma je hmotnost aktivní části vzorku [kg], ∆H – entalpie reakce pro jednotku hmoty aktivní látky (J kg-1); g – konstanta charakterizující geometrické uspořádání; λ1 – součinitel tepelné vodivosti vzorku (W m-1 K-1); ∆T = (T2 - T1) – teplotní rozdíl mezi vzorkem a standardem [K]; t1, t2 – čas počátku a konce teplotního efektu [s]; ∆S – plocha efektu na křivce DTA [m2]. Z úpravy vztahu plyne, že: t2

∆H = A∫ ∆Tdt = A∆S

(2)

t1

kde A je konstanta úměrnosti závislá na přístrojovém uspořádaní, na teplotě a citlivosti měřící metody. Ke kvantitativnímu vyhodnocení křivek DTA se dnes používají většinou empirické postupy. Při kvalitativním vyhodnocení křivky DTA jsou monotónní rychlost ohřevu, množství vzorku a správné určení pozadí efektu na křivce DTA určujícími faktory citlivosti a rozlišovací schopnosti metody. Pro přesná měření je třeba znát i teplotní závislost hodnoty A pro danou aparaturu. Při kvantitativním vyhodnocení dáváme přednost mikrometodám, kde tepelná kapacita kelímků je mnohem větší než u vzorků, a proto měrné teplo vzorků může být zanedbáno.

23

Základním předpokladem pro měření plochy efektu je reprodukovatelnost celého průběhu křivky. K vyhodnocení by se měla použít pouze první část efektu, která je vyvolána reakčním teplem, protože druhá část odpovídá vyrovnávání teplot. Pro neurčitost konce reakce se však vyhodnocuje většinou celá plocha efektu např. planimetrováním, metodou trojúhelníků či vážením vystřižené plochy.

3.4.2

Diferenční kompenzační kalorimetrie (DSC)

Diferenční kompenzační kalorimetrie (DSC) je termoanalytická metoda, při které se měří rozdíl příkonů (tj. dodané energie za jednotku času) potřebných na ohřev vzorku a referenční látky v závislosti na teplotě nebo času. Teplota i rozdíl teplot se měří platinovými odporovými teploměry. Vzorek i referenční látka se navažuje do misek, navážka vzorku bývá obvykle řádově několik miligramů. Jako referenční látka se používá taková látka, která nepodléhá ve studovaném teplotním intervalu žádným změnám, nejčastěji se používá prázdná miska. Jak bylo zmíněno, u DSC se měří rozdíl příkonů potřebných na ohřev vzorku a referenční látky v závislosti na teplotě a času. Používá se tedy diferenční metoda měření, při které je veličina měření porovnávána s veličinou stejného druhu se známou hodnotou jen málo odlišnou od hodnoty měřené veličiny a zaznamenává se rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami. Změna fyzikálního stavu materiálu jako je např. změna jedné krystalické modifikace na jinou, nebo průběh chemické reakce, jsou spojené s uvolňováním nebo pohlcováním tepla. Tím dochází k samovolnému ohřevu anebo chlazení vzorku. Chceme-li udržet stejnou teplotu vzorku a referenční látky, na ohřev vzorku je potřebné ohřívací příkon snížit, resp. zvýšit, zatímco u referenční látky je tento příkon konstantní. Takovýmto způsobem vznikají na DSC záznamech píky. Při diferenční kompenzační kalorimetrii se používají dva typy kalorimetrů, a to DSC s tepelným tokem a DSC s kompenzací výkonu (obrázky 8 a 9). U DSC s tepelným tokem se neměří přímo rozdíl příkonů, ale tato veličina je odvozená z teplotního rozdílu mezi vzorkem a referenční látkou. Komerčně prodávané kalorimetry jsou většinou tohoto typu (MettlerToledo, Shimadzu). U DSC s kompenzací výkonu se měří přímo rozdíl příkonů za podmínek udržení stejné teploty vzorku a referenční látky. Kalorimetry tohoto typu jsou komerčně dostupné pouze u firmy Perkin-Elmer. Rozdílný princip měření u obou typů kalorimetrů vede k rozdílné orientaci píků45.

24

Obr. 8

DSC s kompenzací výkonu (B – oddělené elektrické ohřívače pro vzorek a referenční látku, C – misky pro vzorek a referenční látku)

Obr. 9

DSC s tepelným tokem (A – společná pec pro vzorek a referenční látku , C – misky pro vzorek a referenční látku)

Využití diferenční kompenzační kalorimetrie DSC Pomocí DSC se studují procesy v kondenzované fázi, t.j. tuhé látky (nejčastěji), nebo kapaliny. Dolní teplotní limit měření DSC u kalorimetrů představuje –150°C, horní teplotní limit je většinou okolo 600°C. Právě horní hranice teploty je nevýhodou této metody. Z tohoto teplotního intervalu vyplývá také výběr materiálů a procesů, které je možno metodou DSC studovat. Mezi fyzikální procesy je možno zařadit modifikační změny, krystalizaci, var, sublimaci, skelný přechod, tání. V případě chemických dějů jsou to reakce v tuhé fázi, reakce v tavenině, termický a termooxidační rozklad, oxidace.

25

Měření teplotních a entalpických veličin Jestliže se při metodě DSC měří rozdíl příkonů potřebných na ohřev vzorku a referenční látky v závislosti na teplotě, je možné zjistit teplotu každého procesu při kterém se tento rozdíl příkonů liší. Je možno tedy stanovit teploty fázových přechodů 1. a 2. řádu, t.j. teplotu změny krystalické modifikace, tání, sublimaci, var. Teplota fázové přeměny se určuje jako teplota náběhu píku, t.j. teplota průsečíku základní čáry se spojnicí v nejstrmější části píku. Měření tepelných kapacit je u DSC kalorimetrů velmi jednoduché. Rovnici pro tepelnou kapacitu při konstantním tlaku je možno upravit do tvaru rovnice (3):

  ∂H     1  ∂H  1   ∂t   1 ∆P cp =  =  =   m  ∂T  p m  ∂T  m β     ∂t   p

(3)

kde m je hmotnost vzorku, H je entalpie. ∆P je rozdíl příkonů potřebných na ohřev vzorku (s miskou) a referenční látky. Je-li jako referenční látka použita prázdná miska, tepelnou kapacitu vypočítáme jako rozdíl podílu příkonů a teplotního koeficientu, normovaného na jednotkovou navážku vzorku. Takto je možné stanovit tepelnou kapacitu tuhých látek i kapalin v závislosti na teplotě.

3.4.3

Termogravimetrie (TG)

Podstatou termogravimetrie (TG) je plynulé registrování změn hmotnosti vzorku zkoumané látky v závislosti na teplotě (případně času), přičemž je sledovaný vzorek zahříván kontrolovaným teplotním programem. Z výsledku měření je možné získat informace o složení zkoumané látky, o její termické stabilitě a termickém rozkladu. Můžeme konstatovat, že termogravimetrie nachází značné uplatnění všude tam, kde jde o sledování fyzikálně-chemických dějů, které provází změna hmotnosti vzorku v tuhém nebo kapalném skupenství.

Derivační termogravimetrie Derivační termogravimetrie (DTG) je termoanalytická metoda odvozená od termogravimetrie. V určitém smyslu ji můžeme považovat za speciální způsob termogravimetrie. Tato metoda je založená na plynulé registraci rychlosti hmotnostních změn vzorku zkoumané látky, v závislosti na teplotě, přičemž je látka vystavená kontrolovanému teplotnímu programu. DTG křivku můžeme získat grafickou nebo numerickou derivací klasické TG křivky.

26

3.4.4

Faktory ovlivňující termoanalytické metody

Termická analýza je dynamická metoda, a proto průběh křivek závisí na větším počtu různých faktorů. V odborné literatuře se uvádí, že vliv na průběh křivky a tedy také hodnoty sledovaných veličin může mít až 18 faktorů40. Mezi nejdůležitější faktory ovlivňující měření patří: -

vliv podmínek experimentu, vliv vzorku, vliv přístroje,

3.4.4.1

Vliv podmínek experimentu

Zde můžeme zahrnout faktory, které se netýkají přímo zkoumaného vzorku, ani použitého přístroje, ale můžeme je zvolit, respektive ovlivnit, před samotným měřením. Mezi tyto nejdůležitější faktory v této skupině patří vliv rychlosti ohřevu a vliv atmosféry. Vliv rychlosti ohřevu Tento faktor má výrazný vliv na hodnotu teploty maxima píku a také na plochu píku. Nejběžnější používané rychlost ohřevu v TA jsou od 5°C/min do 20°C/min. Extrémně nízké hodnoty uváděné v termoanalytických pracích jsou 0,5°C/min a extrémně vysoké rychlosti ohřevu jsou 100 až 200°C/min. Standardizační výbor ICTA doporučuje používat v DTA mezinárodně sjednocenou rychlost ohřevu 10°C/min. V současné době můžeme konstatovat z vědeckých publikací že tato rychlost ohřevu silně převažuje40. V případě používání vyšší rychlosti ohřevu při rozkladných reakcích různých látek také plocha píku a výška píku narůstá lineárně se zvyšující se rychlostí ohřevu. Vysoká rychlost ohřevu může také celkově změnit průběh TA křivek, a to například tak, že rychlý vývoj CO2 zabrání přístup O2 z atmosféry k povrchu vzorku, a tím může deformovat bezprostředně následnou oxidační reakci, tedy exotermický pík. Vliv atmosféry Při měření TA křivek lze použít jak statickou atmosféru tak dynamickou (kontrolovanou) atmosféru. Při dynamické atmosféře je proud plynu s konstantní rychlostí průtoku vedený pracovním prostorem pece. Měření se tedy může provádět jak v inertní atmosféře (dusík, argon) tak i v oxidační atmosféře (kyslík, vzduch). Může samozřejmě dojít také k chemické reakci atmosféry pece se vzorkem , a tím k zásadní změně průběhu TA křivky.

3.4.4.2

Vliv vzorku

Zde můžeme zahrnout takové vlivy jako je hmotnost zkoumané látky, vliv stlačení vzorku v držáku a vliv velikosti zrn vzorku. Tyto faktory ovlivňují šířku, symetrii píku, mají vliv na výšku píku, na jeho plochu a také na posun základní čáry DTA křivky.

27

Vliv hmotnosti zkoumané látky Množství vzorku používaného pro měření TA křivek se běžně pohybuje od několika miligramů až po jeden gram. Zvýšení hmotnosti vzorku s cílem získat větší plochy píku, vede k nežádoucímu zvětšování šířky píku a tím k snížení rozlišovací schopnosti metody. Snížení hmotnosti vzorku je zase limitováno citlivostí přístroje. Vliv stlačení vzorku v držáku V termoanalytické praxi nebývá význam tohoto faktoru posuzován jednotně a poměrně často se jeho význam zanedbává. Stlačení vzorku v držáku přímo souvisí s hodnotou jeho koeficientu tepelné vodivosti a při reakcích s plynnou fází značně ovlivňuje difúzi. Silné stlačení vzorku v držáku ulehčuje přenos tepla a na druhé straně silně zhoršuje difúzi plynu při reakcích, kde se uvolňuje plynná složka. Vliv velikosti zrn vzorku Právě tento faktor je pravděpodobně jedním z nejdůležitějších a nejvíc studovaných faktorů ovlivňující průběh TA křivky. Snahou je, aby velikost zrn vzorku byla pokud možno stejná a rozmístění vzorku v pánvičce bylo rovnoměrné. Případné nedostatky se mohou velice projevit především na symetrii a ploše píku.

3.4.4.3

Vliv přístroje

Základní části termoanalytického přístroje, jako je zdroj tepelné energie, systém registrace teploty, způsob záznamu TA křivky, způsob kontroly atmosféry a především typ, materiál a geometrický tvar držáku vzorku, to všechno jsou faktory, které ovlivňují výsledek termické analýzy.

3.4.5

Popis termoanalytických křivek

Termoanalytické křivky se registrují a publikují mezinárodně sjednoceným způsobem tak, že vzrůst teploty se zaznamenává zleva doprava, endotermické píky od základní čáry směrem nahoru a exotermické píky od základní čáry směrem dolů. Základní čára (baseline) – ta část křivky, kde je registrovaná teplotní diference blízko nule nebo konstantní. Odpovídá časovým úsekům v kterých jsou změny stavu vzorku zkoumané látky zanedbatelně malé. Pík – představuje tu část křivky, která se odkloňuje a opět vrací k základní čáře. Charakterizuje ho začátek píku, přední inflexní bod, maximum, zadní inflexní bod a konec píku. Endotermický pík – teplota vzorku zkoumané látky je nižší, než je teplota vzorku referenčního materiálu. Exotermický pík – teplota vzorku zkoumané látky je vyšší, než je teplota vzorku referenčního vzorku.

28

Extrapolovaný začátek píku Te (onset) – průsečík extrapolované přední části základní čáry s tečnou k píku, vedenou předním inflexním bodem. Odpovídající teplota se nazývá teplota extrapolovaného začátku. Extrapolovaný konec píku Te (endset) – průsečík extrapolované zadní části základní čáry s tečnou k píku, vedenou zadním inflexním bodem. Maximum píku – je bodem tečny rovnoběžné s lineární interpolovanou základní čárou s píkem. Výška píku – představuje rozdíl mezi hodnotou měřené veličiny v maximu píku a současnou hodnotou této veličiny na lineárně interpolované základní čáře. Šířka píku – představuje buď časový anebo teplotní interval mezi začátkem a koncem píku. Plocha píku – je plocha vymezená píkem a lineární interpolovanou základní čárou.

Obr. 10

Popis termoanalytické křivky45

29

3.4.6

Studium kinetiky chemických reakcí

Metody termické analýzy jsou v současnosti využívány také při studiu kinetických procesů probíhajících v pevné fázi. Pomocí nejznámějších termoanalytických metod (termogravimetrie a DSC) lze velice dobře sledovat kinetiku chemických reakcí a z naměřených hodnot odvozovat základní kinetické konstanty jako jsou např. rychlostní konstanta, aktivační energie, řád reakce a předexponenciální faktor. Kinetiku procesů lze měřit dvěma postupy; izotermicky a neizotermicky41. metody je třeba zvážit její výhody i nevýhody.

Při výběru

Podstatou izotermické metody je, že vzorek zkoumané látky se zasune do předem vyhřáté pece a kontinuálně se registrují jeho změny hmotnosti v závislosti na čase při konstantní teplotě. Při různých konstantní teplotách T dostaneme různé průběhy závislosti ∆m=f(t). Všeobecně lze říci, že se zde empiricky sleduje izotermický průběh dané rozkladné reakce, určí se kinetická rovnice, která tento děj vystihuje a měřením při více teplotách za izotermických podmínek se zjistí závislost rychlostní konstanty na teplotě. Tato metoda je vhodná k zjišťování hodnot řádů reakce a k odvození reakčního mechanizmu40. Experimentálním problémem při realizaci této izotermické metody je okolnost, že dřív než zkoumaná látka dosáhne zvolenou izotermickou teplotu, může proběhnout začátek zkoumané reakce, což ovlivňuje hodnotu vypočítané kinetické konstanty. Neizotermická metoda je na rozdíl od izotermické metody vhodnější k získání informací o kinetice sledované reakce v celém teplotním intervalu měření. Může mít výhody v případě reakcí s vysokou rychlostí, kde se takto dá vyhnout předčasnému rozkladu vzorku v případě izotermické metody.

Obvykle se předpokládá, že kinetický proces v heterogenním prostředí lze popsat pomocí vztahů používaných pro popis reakcí v homogenní fázi. Potom lze tepelný tok (H), měřený v průběhu procesu metodou DSC vyjádřit následovně rovnicí (4) : H = ∆H K(T) f(α)

(4)

kde K(T) je teplotní člen mající význam rychlostní konstanty studovaného procesu, f(α) je člen odpovídající kinetickému modelu (funkce vyjadřující mechanizmus děje) a ∆H je celkové reakční teplo42. Všeobecný postup je založený na matematickém vyjádření časové závislosti stupně přeměny na základě experimentálních údajů z TA křivek. Při matematickém zpracování se vychází z konkrétních přestav o reakčním mechanizmu a volí se hypotetická rovnice časové závislosti stupně přeměny. Ten je poté porovnáván s experimentálními údaji.

30

Ačkoliv kinetické procesy probíhající v heterogenním prostředí jsou komplexní povahy, velmi často se pro jejich popis používají relativně jednoduché tvary funkcí f(α), které lze pochopitelně považovat pouze za formální kinetické modely42. V tabulce 4 jsou uvedeny základní modely používané v termické analýze.

Tabulka 4

Základní kinetické modely Model

Šesták - Berggren Johnson – Mehl- Avrami Redukční řád 2D – difuse Janderova rovnice Ginstling - Brounshtein

Symbol SB (m, n) JMA (n) RO (n) D2 D3 D4

f(α) m

α (1-α)n n (1-α) [-ln (1-α)]1-1/n (1-α)n 1/[-ln (1-α)] 3 (1-α)2/3/2[1-(1-α)2/3] 3/2[(1-α)-1/3 – 1]

Z matematického hlediska je v současnosti k dispozici několik postupů: diferenciální, integrální a aproximativní43.

3.4.6.1

Diferenciální metody

Pravděpodobně nejpoužívanější jsou metody diferenciální a z nich především metoda podle Freemanové a Carolla44. Autoři vycházejí z diferenciálního vztahu obecné kinetické rovnice (5) do které zavádějí přímo závislost konstanty reakční rychlosti na teplotě. Rychlost reakce je možné vyjádřit jako součin rychlostní konstanty a funkce stupně přeměny α :

dα n = k (1 − α ) dt

(5)

K vyjádření závislosti rychlostní konstanty na teplotě se v termické analýze běžně používá známá Arrheniová rovnice ve tvaru:

 E  k = A exp − a   RT 

(6)

kde A je tzv. předexponenciální faktor mající význam kinetického parametru procesu, Ea aktivační energie procesu, T teplota vzorku a R je univerzální plynová konstanta.

31

Kombinací rovnic (5) a (6) dostaneme následující vztah:

dα  E  n = A exp − a  (1 − α ) dt  RT 

(7)

Za předpokladu, že při měření kinetických parametrů využíváme lineární teplotní režim ohřevu studovaného materiálu, lze teplotu pece vyjádřit následující rovnicí: Tf = To + βt

(8)

kde Tf je teplota pece, To je počáteční teplota měření a koeficient β charakterizuje rychlost ohřevu vzorku. Pokud předpokládáme, že teplota vzorku je stejná jako teplota pece (T= Tf), získáme kombinací rovnic (5) – (8) rovnici ve tvaru:

dα A  E  n = exp − a  (1 − α ) dT β  RT 

(9)

logaritmováním rovnice (9) získáme následující tvar:

A E 1  dα  ln  = ln − a ⋅ + n ⋅ ln (1 − α ) β R T  dT 

(10)

následným diferencováním rovnice (10) dostaneme rovnici ve tvaru:

E 1  dα  d ln  = − a ⋅ d + n ⋅ [d ln(1 − α )] R T  dT 

(11)

dělením celé rovnice (11) výrazem [d ln (1 − α )] získáme konečný vztah k určení kinetických hodnot:

 dα  d ln   dT  = − E a d ln(1 − α ) R

1    d  T  +n ⋅  d ln(1 − α )     

(12)

ve zkrácené podobě dostaneme tento zjednodušený tvar:

y=−

Ea ⋅x+n R

(13)

kde y je hodnota dána podílem d ln a d ln(1 − α ) .

dα 1 a d ln(1 − α ) a hodnota x je vyjádřena podílem d dT T

Rovnice (13) se zpracovává graficky vynesením y proti x a ze směrnice proložené přímky zjistíme hodnotu aktivační energie Ea, z úseku na ose x pak hodnotu reakčního řádu n. Vztah vyjádření rovnicí (5) je pouze formální a proto zjištěný reakční řád nemá fyzikální význam40.

3.4.6.2

Integrální metody

Tyto metody opět vycházejí z obecné kinetické rovnice pro rozkladnou reakci pevné látky44 vyjádřenou rovnicí (14):

dα = k ⋅ f (α ) dt

(14)

kde f(α) závisí na reakčním mechanismu. Kombinací rovnice (14) s rovnicemi (6) a (8) dostaneme tvar rovnice:

dα A  E  = exp − a  f (α ) dT β  RT 

(15)

Pokud rychlost reakce je na počátku zanedbatelná, za počáteční teplotu může být považována T = 0 K a může dojít separaci proměnných. Získáme tvar:

dα A  E  = exp − a  dT f (α ) β  RT 

(16)

Integrace levé strany rovnice (16) může být řešena, je-li známa analytická formule funkce44 f(α), a vede k nové funkci g(α). α

dα

A

 Ea 

= g (α ) = exp − ∫  dT β  RT  α f (α )

(17)

0

3.4.6.3

Indukční perioda

Dalším praktickým využitím metody DSC je možnost stanovení indukčních period oxidace tuků, minerálních olejů, polymerů a jiných materiálů. Oxidace je děj exotermický a tudíž teplo uvolněné během tohoto procesu je dobře měřitelné právě metodou DSC. Indukční perioda je stádium předcházející hlavnímu ději (oxidace), kde zřejmě nedochází k žádné

33

chemické reakci. Typickým příkladem procesu s indukční periodou je oxidace v kondenzované fázi45. Standardní testy pro stanovení indukční periody se stále provádějí v izotermickém režimu při zvolené teplotě a indukční perioda oxidace se vyhodnotí jako čas náběhu (onset) exotermického oxidačního píku. V poslední době se rozpracovaly metody na odhad neizotermických indukčních period a výpočtu kinetických parametrů z měření při lineárním vzrůstu teploty46. Přesné stanovení indukční periody má v některých případech veliký význam při řízení kvality výrobků a bezpečnosti procesů. Při výpočtu indukční periody se opět vychází z obecné kinetické rovnice (14) a známé Arrheniovy rovnice (6) vyjadřující závislost rychlostní konstanty na teplotě. Kombinací těchto dvou rovnic a následnou separací proměnných dostaneme rovnici (18) ve tvaru: αi

∫ 0

t

dα  E  k = ∫ Ak exp − a dt f (α )  RT  0

(18)

kde αi je konverze reakcí probíhajících během indukční periody odpovídající konci indukční periody; tzn. počátek hlavního procesu detekovatelného měřícím zařízením, ti je délka stanovované indukční periody. Dále se předpokládá, že konverze αi se s teplotou nemění. Integrací levé strany rovnice (18) získáme vztah: t

i  E  F (α i ) − F (0 ) = ∫ Ak exp − a  dt  RT  0

(19)

Pokud konverze αi odpovídá konverzi na konci indukční periody a předpokládali jsme, že je nezávislá na teplotě, potom také hodnota integrované funkce F(α) v bodě αi F(αi) je konstantní. Rovnici (19) pak můžeme přepsat na následující tvar: ti

dt A exp( B / T )

(20)

F (α i ) − F (0 ) Ak

(21)

Ea R

(22)

1= ∫ 0

kde konstanty A a B jsou vyjádřeny jako:

A=

B=

34

Fyzikální význam jmenovatele v rovnici (20) je možno ukázat v případě izotermického procesu, kdy jmenovatel je konstanta rovna indukční periodě při dané teplotě. Rovnice (20) se využívá také při stanovení indukční periody neizotermickým způsobem46. Vliv indukční periody na teplotě je tedy možné vyjádřit následující rovnicí:

t i = A exp(B / T ) 3.5

(23)

Infračervená spektroskopie

Infračervená spektroskopie se zabývá měřením a vyhodnocováním absorbčních spekter molekul, absorbujících záření o vlnových délkách 800 nm - 100 µm, tj. o vlnočtu 12000 10 cm-1. Při absorpci tohoto záření dochází ke zvýšení vibračních a rotačních stavů molekuly. Rozdíly energií mezi jednotlivými vibračními a rotačním stavy vzhledem k rozdílům mezi stavy elektronovými jsou velmi malé a k vyvolání absorpce tedy postačí záření o nízké energii a větších délkách vlny než záření viditelné, tj. záření infračervené. Infračervené záření lze rozdělit na záření v oblasti blízké (near - infrared, NIR), které navazuje na oblast viditelného záření (800 - 2500 nm, tj. 12000 - 4000 cm-1), střední (middle - infrared, MIR) (4000 - 200 cm-1) a vzdálené (far - infrared, FIR) (200 - 10 cm-1). Záření vzdálené infračervené oblasti vyvolává změnu rotačních stavů molekul, u nichž je potřebná energie malá, při působení záření střední a blízké infračervené oblasti dochází k vibračně - rotačním přechodům, kdy se mění současně vibrační i rotační stav molekuly. Infračervenými spektry se sledují vibrační, rotační a rotačně-vibrační pohyby molekul. Vibrace a rotace molekul se řídí zákony kvantové mechaniky, přičemž lze vibrační pohyby v prvním přiblížení považovat za harmonické. Při interpretaci infračervených spekter sledujeme tři hlavní charakteristiky: polohu a tvar absorpčních pásů, počet pásů a jejich intenzitu. Měření látek Měření transparentních vzorků je možno provádět ve všech skupenstvích. Při měření plynných látek je nutno vzhledem k malé hustotě jejich molekul použít delší dráhu světelného paprsku v kyvetě (dlouhé válce se zrcadly prodlužujícími délku paprsku na 10 – 20 metrů vyrobeny z IR-transparentního materiálu. Kapalné vzorky nebo roztoky lze nejjednodušeji měřit ve formě kapilárního filmu vytvořeného nakápnutím vzorku mezi dvě destičky nebo do kyvety z materiálu propustného pro infračervené záření (CaF2, AgCl, ...). Tuhé vzorky mohou být přímo měřeny ve formě folií (především u makromolekulárních látek), nebo ve formě filmu na vhodné destičce (po nanesení roztoku látky je odpařeno rozpouštědlo). Práškové vzorky, u nichž by při přímém měření docházelo k rozptylu záření, lze měřit jako suspense po smíchání s parafinovým olejem (Nujolem).

35

Infračervená spektrometrie s Fourierovou transformací Při infračervené spektrometrii s Fourierovou transformací (FT-IR) se interferometricky získaný signál převede matematickou operací - Fourierovou transformací - na infračervené spektrum. Základem FT-IR spektrometru je Michelsonův interferometr. Záření ze zdroje přichází na polopropustný dělič paprsků, který jednu polovinu paprsků propustí k pohyblivému zrcadlu, druhá se odráží směrem k pevnému zrcadlu. Paprsky se od obou vzájemně kolmých zrcadel zpětně odrážejí a na děliči paprsků se podle polohy pohyblivého zrcadla buď sčítají nebo odčítají; dochází k interferenci. Jak se mění optický dráhový rozdíl gama obou paprsků, signál dopadající na detektor generuje interferogram. Pro monochromatický zdroj záření je amplituda signálu na detektoru kosinovou funkcí polohy zrcadla. Při konstantní rychlosti pohyblivého zrcadla u je frekvence fv signálu na detektoru úměrná vlnočtu záření υ : fυ = 2 ⋅ u ⋅ υ (24) Pro polychromatický zdroj záření (čárový) a kontinuální je signál detektoru součtem všech interferencí každé frekvence, jež se integruje se všemi ostatními frekvencemi. Výsledkem je tzv. multiplexní interferogram. Rekombinovaný paprsek prochází vzorkem v kyvetovém prostoru a ty frekvence, které nebyly absorbovány, jsou přivedeny na detektor. Zpracování signálu, provedení transformace a řízení přístroje je prováděno počítačem. FT-IR spektrometry mají celou řadu výhod, jejichž společným jmenovatelem je vysoká světelnost ve srovnání s klasickými disperzními spektrometry. Protože interferometr nemá vstupní ani výstupní štěrbiny, je množství záření dopadající na detektor ve srovnání s mřížkovým spektrometrem až o dva řády vyšší. To je výhodné zejména v dlouhovlnné oblasti infračerveného spektra, kde je intenzita záření zdroje již malá. Obrovskou výhodou je velká rozlišovací schopnost (u komerčních přístrojů až 0,05 cm-1); tato principiálně závisí na velikosti použitého optického dráhového rozdílu a může být zvětšena velkým posunem zrcadla (až 2 i více metrů). Důležitá je také dosažená vlnočtová správnost, která je určena přesností, s jakou lze měřit polohu pohyblivého zrcadla. Další výhodou je velká rychlost záznamu a výpočtu a možnost měřit v širokém vlnočtovém rozsahu.

36

3.6

TA při studiu huminových látek

Termickou stabilitou organické hmoty extrahované z podzolové půdy z různých vrstev (Ao a Bh) se zabývali Turner a Schnitzer47. Ze získaných dat vypočítali rychlostní konstanty a aktivační energie rozkladných procesů. Vzorek z půdní vrstvy Ao se rozložil ve čtyřech po sobě jdoucích krocích. Z dostatečně rozdílných hodnot vypočítané aktivační energie a specifické rychlostní konstanty reakcí, které charakterizovaly dva exotermní píky (první slabý exoterm kolem 500°C a druhý silný exoterm kolem 800°C) usoudili, že zde dochází k destrukci dvou různých chemických struktur. Reakce vykazující první slabý exoterm pravděpodobně představovala rozklad alifatické nebo alicyklické struktury, zatímco reakce charakterizovaná silným exotermem byla spojena s rozkladem zbylé aromatické struktury. V důsledku vysokých aktivačních energií a specifických rychlostních konstant pro reakce charakterizované dalšími dvěma exotermními píky kolem teplot 630 a 690°C se domnívali, že i tyto reakce byly spojeny s rozkladem aromatické struktury. Pro vzorek z Bh půdní vrstvy byly naměřené kinetické hodnoty prakticky stejné jako pro reakci charakterizované exotermním píkem kolem 630°C u vrstvy Ao. Domnívali se že, hlavní rozkladný proces byl spojen s rozkladem aromatické struktury. Naměřené aktivační energie reakce charakterizované prvním slabým exotermem u půdní vrstvy Ao byly srovnatelné s hodnotami, ke kterým došli Van Krevelen48 u černého uhlí a Agroskin a Miringof49 u lignitu a rašeliny. Schnitzer a Hoffman50 se zabývali termogravimetrickou analýzou fulvinových kyselin, extrahovanými z podzolové půdy v Prince Edward Island. Tyto fulvinové kyseliny byly komplexovány šestnácti jedno - až trojvazebnými kovy. DTG křivky neupravených fulvinových kyseliny vykazovaly hlavní pík vykazující největší hmotnostní úbytek při 420°C. Toto maximum bylo v případě jednovazebných kovů (Na+, K+, Li+ a NH4+) posunuto k podstatně vyšším teplotám. Při teplotách vyšších než 700°C došlo k převodu organického uhlíku fulvinových kyselin na anorganický uhlík ve formě uhličitanu, který byl následně rozložen mezi 1000 - 1300°C. V případě komplexace fulvinových kyselin s dvojmocnými a trojmocnými kovy bylo toto maximum posunuto k teplotám nižším. Pro dvojmocné kovy byla pozorována následující termická stabilita. Seřazeny jsou od nestabilnějšího k nejméně stabilnímu: Mg > Co > Zn > Mn > Ca = Sr = Fe > Ni > Pb > Cu. DTG křivka pro trojmocný Fe3+ komplex vykazovala pouze jeden dobře definovatelný pík při 280°C, pro Al3+ komplex již tak jednoznačná situace nenastala. Tento komplex vykazoval široký pík s těžko definovatelným maximem.

37

Petrosyan, Aranbaev a Grigoryan51 studovali termické chování huminových kyselin izolovaných z jílovité části zemské půdy. K charakterizaci byla použita také metoda IČ spektroskopie. DTA křivky izolovaných kyselin vykazovaly jeden endotermický a dva exotermické píky které byly také shodné na DTG křivkách. První endotermický pík charakterizoval přítomnou vlhkost. Domnívali se také, že tento endotermický pík souvisí s částečnou ztrátou atomů vodíku a kyslíku v důsledku začínající destrukce periferních alifatických řetězců huminových kyselin. První exotermický pík byl pravděpodobně spojen s další destrukcí periferních alifatických řetězců, ztrátou CH skupin, vázaných sacharidových složek a amino skupin. Při této reakci podle nich ještě nedochází k destrukci COOH skupin (pravděpodobně v důsledku sekundární termické syntézy). K destrukci kondenzované části makromolekuly huminových kyselin došlo až při teplotách vyšších než 600°C. Tato destrukce nebyla doprovázena viditelnou změnou na DTA křivce. Při tomto stupni destrukce došlo k zániku nejstabilnějších cyklických skupin obsahujících uhlík a dusík. Pomocí termogravimetrické analýzy se Adam, Razaq a Zahrah52 snažili ověřit možnost využití huminových látek jako stabilizátoru polyvinylchloridu (PVC). K využití huminových látek jako stabilizátoru je vedly výsledky analýzy huminových látek potvrzující přítomnost funkčních skupin, které se v běžných stabilizátorech vyskytují také. Z termogravimetrické křivky bylo patrné, že již malý obsah huminových látek (<1%) měl viditelný vliv na zvyšující se stabilitu PVC. Směs huminových látek vykazovala větší schopnost stabilizovat PVC než fulvinové a huminové kyseliny. Zajímavé bylo také zjištění, že fulvinové kyseliny byly stabilnější než huminové kyseliny. Campanella, Tomassetti a Piccolo53 se zabývali charakterizací extrahovaných huminových látek různými činidly a také vlivem směsi HF + HCl použité na přečištění. Huminové látky byly extrahovány pěti extrakčními činidly. První tři extrakční činidla byly směsi HCl s acetonem, dimethylfluoramidem (DMF), dimethylsulfoxidem (DMSO). Dále byl použit tradiční extrakční roztok 0,5M NaOH a roztok pyrofosforečnanu sodného při pH=7. Výsledky ukázaly, že použití směsi HCl s acetonem, DMF a DMSO k extrakci huminových kyselin vedlo k podstatně nižšímu obsahu popele v porovnání s použitím NaOH a pyrofosforečnanu. Směs HF + HCl měla velký vliv na snížení popele u všech extrakčních činidel, ovšem nejvíce se to projevilo u NaOH a pyrofosforečnanu. Huminové kyseliny extrahované směsí HCl s acetonem, DMF a DMSO vykazovaly podstatně alifatičtější charakter v porovnání s huminovými kyselinami extrahovanými NaOH a pyrofosforečnanem. Použití NaOH a pyrofosforečnanu jako extrakčních činidel vedlo k huminovým látkám s větším obsahem aromatických, chinoidních a fenolických skupin. Závěrem lze říci, že TG technika umožnila rychle a lehce odhalit podstatně vyšší obsah aromatických částí molekul v případě použití roztoků NaOH a pyrofosforečnanů jako extrakčního činidla v porovnání se zbylými extrakčními směsi. Navíc byl ještě porovnán vyextrahovaný pyrofosforečnanový vzorek s neupraveným původním substrátem půdy.

38

Výsledky měření se od sebe výrazně nelišily, což vedlo autory k závěru, že tento způsob extrakce je velice málo efektivní. Gallo, Ricca a Severini54 se pokusili porovnat termického chování maleinanhydridového oligomeru (MAO) s fulvinovými a huminovými kyselinami extrahovanými z půdní matrice. K použití maleinanhydridového oligomeru je vedly výrazně podobné výsledky z měření IČ spekter a plynové chromatografie v porovnání s fulvinovými kyselinami. Z výsledků termogravické analýzy vyplynulo, že rozklad těchto tří kyselin probíhal v kyslíkové atmosféře rychleji než v atmosféře dusíku. Huminové kyseliny se rozkládaly při vyšších teplotách než fulvinové kyseliny, z čehož usoudili, že jsou stabilnější. V případě fulvinové kyseliny a MAO se 50% vzorku degradovalo při naprosto stejné teplotě což potvrzovalo vzájemnou podobnost. V případě MAO degradace začínala dekarboxylací karboxylových částí55. Z výsledků hmotnostní spektromerie předpokládali, že je to tak i v případě fulvinových kyselin. Z výsledků vyplývá, že k maleinanhydridovému oligomeru měla podstatně blíž fulvinová kyselina než huminová kyselina. Buurman spolu s Aranem56 se zabývali otázkou, zda existuje přímý vztah mezi termickým a mikrobiálním rozkladem podzolové organické hmoty. Z dosažených výsledků vyplynulo, že v případě kdy došlo k posunu prvního termického oxidačního maxima k vyšším teplotám, snížila se také rychlost mikrobiálního rozkladu této hmoty. Tento výzkum navazuje na Buurmanovu předchozí práci, kde objevil přímý vztah mezi termickým rozkladem podzolové organické hmoty a typem a množstvím komlexovaného kationtu57. Zde za pomocí metody DTA a DSC pozoroval dva exotermické píky (první slabý a druhý silný), které byly v případě komplexace organické hmoty Al3+ kationtem posunuty viditelně k vyšším teplotám. V případě prvního exotermu došlo k uvolnění podstatně menšího tepla než u druhého exotermu. Tento fakt je vedl závěru, že v případě prvního exotermu došlo degradaci silně oxidované materiálu. Tuto představu podpořil také Leinweber58, který tvrdil, že již při těchto nižších teplotách dochází během pyrolýzy k odpařování sacharidových složek. Závěrem lze říci, že pokud oxidace organické hmoty začne při vyšších teplotách, mikrobi musí vynaložit podstatně více energie na rozklad této hmoty než kdyby začínala při teplotách nižších. Toto je možné vysvětlení „toxického“ efektu komplexované organické matrice Al3+ kationtem, u níž došlo ke snížení rychlosti degradace způsobené mikroby59. Termogravimetrií vodních huminových látek se zabývali Esteves s Duartem60. Ke svému výzkumu použili huminové látky pocházející z oceánu, pobřeží, ústí řek (do moře) a řek. Termogravimetrické křivky frakcí huminových látek (huminové, fulvinové kyseliny a XAD4 frakce) vykazovaly 2 až 4 degradační píky. XAD4 frakce a fulvinové kyseliny obsahovaly složky rozkládající se již při nižších teplotách, zatímco huminové kyseliny se rozkládaly při teplotách vyšších než 300°C. Způsobeno to bylo podle nich větším obsahem aromatických složek v huminových kyselinách ve srovnání s fulvinovými kyselinami a XAD4 frakcemi. Své tvrzení podepřeli také 13C NMR a FTIR spektry.

39

Ze srovnání fulvinových kyselin pocházejících z mořské vody a sladké vody byla patrná vyšší stabilita sladkovodních fulvinových kyselin způsobená nižším obsahem funkčních skupin a alifatických částí. Své tvrzení opět podepřeli 13C NMR a FTIR spektry. Provenzano spolu se Senesim61 studovali za pomocí DSC a FTIR spektroskopie termické chování a stabilitu různých vzorků huminových (HA) a fulvinových (FA) kyselin různého původu (vodní a terestrické). Z výsledků vyplývá, že při nižších teplotách se nacházel u všech vzorků silný endotermický pík indikující ztrátu vázané vody a labilních periferních polysacharidových řetězců. Endotermický pík při 400°C u FA představoval částečnou destrukci neprotonovaných, více labilních povrchových karboxylových skupin. Široký exotermický pík s maximem při 500°C je podle této práce spojen s přeskupením aromatických jader v molekule HA. Přítomnost nebo úplná absence některých termoanalytických píků u HA a FA je způsobena rozdílnou povahou a původem těchto látek. Rozdílné termické chování těchto látek bylo také způsobeno nižším stupněm humifikace aromatické sítě vodních HA a FA ve srovnání s půdními a rašelinovými HA a FA, u nichž je známo, že obsahují více polykondenzovaných organických molekul. Peuravuori, Paaso a Pihlaja62 studovali metodami TG a DTA termickou stabilitu huminových (HA) a fulvinových kyselin (FA). Všechny analyzované vzorky vykazovaly na TG křivkách 4 až 5 degradačních stádií. Z výsledků bylo patrné, že studované FA byly stabilnější v porovnání s HA. Tento zajímavý fakt vedl autory k názoru, že samotný vyšší obsah aromatických struktur nezaručuje vyšší termickou stabilitu. Schaumannová a Antelmannová63 pozorovali metodou DSC skelný přechod u půdní organické hmoty. Při měření pozorovali, že poloha tohoto skelného přechodu se mění v důsledku přítomné vlhkosti. Křivka pro ovlhčený vzorek vykazovala skelný přechod při 77°C a 79°C pro vzorek vysušený. Podle dalších měření s různým množstvím vody ve vzorku došli k závěru, že s rostoucím množstvím vody se teplota skelného přechodu posouvala k nižším teplotám. Z DSC křivky pro ovlhčený vzorek bylo navíc ještě vidět exotermický pík s minimem kolem 30°C. Tento pík se objevoval pouze u vlhčených vzorků. Jeho poloha závisela na době vlhčení vzorku, skladovací teplotě vzorku a počáteční teplotě při měření na DSC a bylo pravděpodobně spojeno s interakcí vody a organického materiálu a nebo difůzí vody mezi organickým materiálem. Pozorování tohoto skelného přechodu bylo v rozporu s LeBoefem64, který napsal, že skelný přechod u půdního organického materiálu zatím nebyl pozorován v důsledku velké heterogenity tohoto materiálu. LeBoef s Waberem Jr65 pozorovali skelný přechod pouze u vysoce čistých huminových kyselin, který podle jejich studie ukazoval blízký vztah mezi syntetickými organickými polymery a přírodními huminovými látkami.

40

Buurman, Van Lagen a Piccolo66 studovali vliv polárních sloučenin jako je methanol, kyselina mravenčí a octová na termickou stabilitu solí huminových kyselin (Na+, Ca2+, Al3+). Výsledky ukázaly, že termická stabilita nezávisela pouze na typu iontu, ale také na organickém rozpouštědle, které může přijít do styku s huminovou kyselinou. Termická stabilita neupravené huminové kyseliny nevykazovala žádnou změnu po kontaktu s polárními molekulami organického rozpouštědla. Jinak už tomu bylo v případě Na-humátu. Takto upravený humát sodný vykazoval podstatně vyšší termickou stabilitu. Posun v termické stabilitě byl pozorován také v případě Ca-humátu, ale nebyl tak značný. Žádné změny nebyly pozorovány v případě Al-humátu. Tyto výsledky vysvětlili prostřednictvím vazebných sil držících huminové molekuly pohromadě. Části huminových kyselin jsou k sobě silně vázány vodíkovými vazbami a v případě Ca2+– a Al3+–humátu také elektrostatickými vazbami. Tyto elektrostatické vazby nebyly překonány (zrušeny) ani po kontaktu s polárním organickým rozpouštědlem a jejich stabilita tudíž zůstala nezměněna. V případě Na–humátu přechod z protonované formy způsobí přerušení vodíkových vazeb mezi huminovými molekulami, dojde ke konformačnímu přeskupení struktury a poté je stabilita zabezpečena pouze hydrofobními interakcemi nepolárních částí. Po kontaktu s polárním rozpouštědlem dojde k přesunu (nasměrování) hydrofilních částí huminové molekuly do polární fáze rozpouštědla, zatímco hydrofobní části jsou odpuzeny směrem do huminové molekuly. Trojvazebný Al kationt může vázat až tři různé huminové molekuly a tím vytváří rigidnější formu na kterou již molekuly polárního rozpouštědla nemají větší vliv. Prezentované výsledky temického chování těchto huminových látek podporují představu že huminové látky jsou ve skutečnosti relativně malé molekuly jejichž konformační struktura je stabilizována slabými vazbami jako jsou například vodíkové a hydrofobní síly, které drží tyto menší molekuly pohromadě67,68.

41

4 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST V této práci byl jako zdroj huminových kyselin použit lignit pocházející z neogenní pánve Dolnomoravského úvalu těžený, v dole Mír Mikulčice, společnost Lignit s.r.o. Hodonín. V podobě, v jaké se lignit dobývá a dostává na povrch, je přímo aplikovatelný jen v omezeném počtu případů. Především se jedná o to, že vytěžený lignit obsahuje asi kolem 50% vody. Nejedná se jenom o vodu na lignit vázanou, ale převážně o vodu doprovodnou. Nechává se proto po několik dní na vzduchu, čímž se obsah vody podstatně sníží. Jako jeho první úprava, která v podstatné míře zvyšuje jeho užitné vlastnosti, je drcení a třídění podle velikosti částic, přičemž každá z frakcí může mít specifické použití buď přímo, nebo po určité fyzikálně-chemické úpravě. Při drcení a následném mletí vzniká systém organického substrátu, který může být oddělen od anorganické minerální doprovodné složky klasickými úpravárenskými procesy69. Byly připraveny 2 sady vzorků: sada vzorků označena jako HA2 až HA5 byla připravena ze vzorku huminových kyselin označených jako HA1 (viz kapitola 4.1) postupnou frakcionací70 roztoky fosforečnanů o různých hodnotách pH (7, 8, 9, 10) a sada vzorků označená jako Oxxyy (kde xx je koncentrace kyseliny dusičné a yy doba oxidace) extrahovaná z předem oxidovaného lignitu. První sada vzorků byla již dříve charakterizována jak elementární analýzou (Fison EA 1108 Elementar Analyzer), tak i metodou HPSEC (Perkin Elmer). Výsledky elementární analýzy shrnuje tabulka 6. (množství popele stanoveno spalováním každého vzorku o hmotnosti 50 - 100 mg při teplotě 750°C po dobu 8 hodin, množství kyslíku dopočítáno podle vzorce O = 100 – C – H - N). Druhou sadu vzorků tvořily vzorky huminových kyselin extrahované z lignitu oxidovaného kyselinou dusičnou. Koncentrace kyseliny použité k oxidaci byly 2,5,10,15 a 20% a doba oxidace 20, 30, 40 a 60 minut (tabulka 5).

4.1

Extrakce huminových kyselin

Předem vysušený lignit byl za pomocí sít rozdělen na několik frakcí o různé velikosti částic71. K dalšímu zpracování byla použita frakce o velikosti částic 0,2 – 0,3 mm. Navážka této frakce byla smíchána s extrakčním činidlem 0,5M NaOH v poměru 1:10 hmotnostních dílů lignit / extrakční činidlo. Míchání této směsi lignitu s extrakčním činidlem probíhalo na laboratorním míchadle umístěném v digestoři při 50°C po dobu 2,5 hodiny24. Nerozpuštěný podíl z extrakční směsi po extrakci byl dále odstředěn za pomoci centrifugy ROTINA 46R (4000 otáček, 10minut). I po této separaci zůstaly v reakční směsi nerozložené zbytky rostlin a dřeva které nesedimentovaly. Proto bylo nutné tyto plovoucí zbytky odstranit klasickou filtrací za sníženého tlaku. Takto získaný supernatant (matečný roztok) byl okyselen pomocí koncentrované HCl na pH 1-2 (zkouška pomocí pH papírku). Tímto okyselením došlo k viditelné koagulaci huminových kyselin (HA1).

42

Takto připravené huminové kyseliny byly dále kvantitativně převedeny do směsi obsahující HCl – HF (0,5% objemových) a intenzivně třepány po dobu 24 hodin. Zavedení této procedury mělo značný vliv na snížení množství anorganického podílu v huminových kyselinách6. Přečištěné vzorky byly opět centrifugovány při 4000 otáčkách za minutu po dobu 10 minut a následně promyty destilovanou vodou. Přečištění destilovanou vodou bylo opakováno 2x. Předposlední fáze přípravy vzorku HA1 spočívala v kvantitativním převedení do dialyzační membrány (Spectra/Por cut off 3.500 Da). Dialýza probíhala proti destilované vodě po dobu 10 dnů. Po tuto dobu byla několikrát denně měněna destilovaná voda a kapkovou zkouškou pomocí AgNO3 testována přítomnost chloridových iontů přešlých z huminových kyselin přes dialyzační membránu do vody. Poslední fází v přípravě základního vzorku HA1 byla jeho lyofilizace na přístroji firmy Labconco FreeZone 4.5 Liter Benchtop. Po vysušení byl vzorek adjustován.

4.2

Frakcionace huminových kyselin

Navážka vzorku HA1 připravená předchozí alkalickou extrakcí byla rozpuštěna v roztoku o pH=7 (0,062 M NaH2PO4⋅H2O + 0,038 M Na2HPO4⋅12H2O). Frakcionace probíhala v digestoři za laboratorní teploty a neustálého míchání po dobu 2 hodin. Následnou centrifugací (4000 otáček, 10 minut) došlo k oddělení nerozpuštěného zbytku vzorku HA1 od rozpuštěných huminových kyselin. Matečný roztok byl následně přefiltrován za sníženého tlaku z důvodu odstranění posledních nerozpuštěných zbytků vzorku HA1. Okyselením tohoto roztoku koncentrovanou HCl na pH 1-2 došlo ke koagulaci huminových kyselin. Tyto huminové kyseliny byly dále upravovány jak původní vzorek HA1 (viz extrakce HA1 z lignitu od třepání vzorku ve směsi HCl – HF). Takto vzniklá frakce působením roztoku fosforečnanů o hodnotě pH = 7 byla v této práci označena jako HA2. Nerozpuštěný zbytek huminových kyselin z přípravy vzorku HA2 byl rozpuštěn v roztoku o pH = 8 (0,014 M NaH2PO4⋅H2O + 0,086 M Na2HPO4⋅12H2O). Další postup je shodný jako při přípravě předchozí frakce. Takto vzniklá frakce byla označena jako HA3. Zbytek huminových kyselin nerozpuštěný při přípravě frakce HA3 byl rozpuštěn v roztoku o pH = 9 (0,002 M NaH2PO4⋅H2O + 0,098 M Na2HPO4⋅12H2O). Postup přípravy se opět opakoval. Takto vzniklá frakce byla označena jako HA4. K získání poslední frakce označené jako HA5 se použil poslední nerozpuštěný zbytek z předchozí frakce, který byl rozpuštěn v Na4P2O7⋅10H2O o pH = 10.

43

4.3

Oxidace lignitu

Frakce lignitu o velikosti částic 0,2 – 0,3 mm byla promíchávána za laboratorní teploty po předem stanovenou dobu s různě koncentrovaným oxidačním činidlem HNO3 v poměru 1:10 hmotnostních dílů lignit / oxidační činidlo. Oxidace byla ukončena okamžitým přefiltrováním lignitu od oxidačního činidla. Po této separaci následovalo důsledné promytí zoxidovaného lignitu dostatečným množstvím deionizované vody do neutrálního pH. Takto oxidovaný lignit posloužil pro alkalickou extrakci jako zdroj huminových kyselin. Extrakce huminových kyselin z lignitu probíhala stejně jako v případě vzorku HA1, rozdílný byl pouze způsob sušení (sušárna 50°C, 24 hodin). Označení vzorků je sumarizováno v tabulce 5. Tabulka 5

2% HNO3 5% HNO3 10% HNO3 15% HNO3 20% HNO3

4.4

Označení huminových kyselin extrahovaných z oxidovaného lignitu 20 minut

30 minut

40 minut

60 minut

OX0220 OX0520 OX1020 OX1520 OX2020

OX0230 OX0530 OX1030 OX1530 OX2030

OX0240 OX0540 OX1040 OX1540 OX2040

OX0260 OX0560 OX1060 OX1560 OX2060

Postup měření

Termoanalytické měření Z termoanalytických metod použitých v této práci byla použita především metoda DSC. Původní záměr využít také metodu DTA-TG nebylo možno realizovat v plném rozsahu kvůli problémům, které se bohužel nepodařilo během 7 měsíců vyřešit. K měření termoanalytických křivek byl použit přístroj japonské firmy Shimadzu DSC-60, který byl s počítačem propojen sběrnicí TA-60WS. Teplotní a entalpická kalibrace přístroje byla provedena pomocí standardů zinku a india. Před každým měřením byl vzorek pečlivě rozetřen (homogenizován) v achátové misce. Pečlivá a důkladná úprava vzorku před každým měřením měla veliký vliv na průběh měření. Nedokonalá úprava vzorku se při měření projevila nesymetrií a deformací naměřených křivek. Přítomná vlhkost ve vzorku se minimalizovala použitím exsikátoru. Vzorek byl navážen na analytických vahách do aluminiových a platinových pánviček. Navážka vzorku se pohybovala od 0,5 do 1,5mg. Jako referenční materiál byla použita prázdná platinová nebo aluminiová pánvička.

44

Vzorek byl následně umístěn v cele přístroje, kde byl podroben lineárnímu teplotnímu režimu s rychlostí ohřevu 10°C/min z pokojové teploty do 600°C v oxidační kyslíkové atmosféře s průtokem kyslíku 20 ml.min-1 Termogravimetrické hodnoty byly získány pomocí přístroje DTG-60. Sloužily především k posouzení hmotnostních úbytků a množství popelovin. Vzorek byl podroben stejnému teplotnímu režimu a oxidační kyslíkové atmosféře jako při měření DSC.

FTIR spektroskopie FTIR spektroskopické měření bylo v této práci využito k interpretaci změn v huminových kyselinách způsobených během zahřívání v oxidační atmosféře kyslíku. V našem případě bylo použito měření infračervených spekter pomocí tablety KBr. Bromid draselný je pro IR záření zcela transparentní, což je výhoda oproti Nujolu. Rozmělněná a vysušená látka (asi 2 mg) se smísila s nadbytkem vyžíhaného KBr (asi 300 - 400 mg), dokonale se zhomogenizovala a ve speciálním lisu se vysokým tlakem (až 90 kN) lisovala průhledná tabletka o průměru asi 1 cm a tloušťce 1 - 2 mm které se vkládala přímo do spektrometru. Před každou analýzou byl každý vzorek vysušen při teplotě 105°C po dobu 2 hodin6.

45

5 VÝSLEDKY A DISKUZE 5.1

Elementární analýza

Výsledky elementární analýzy jednotlivých pH frakcí huminových kyselin jsou sumarizovány v tabulce 6. Elementární analýza společně s publikovanými HPSEC výsledky70 vede k předpokladům, že vzorek HA2 extrahovaný ze vzorku HA1 směsí při pH=7 obsahoval největší množství uhlíku a zároveň nejmenší obsah vodíku v porovnání s ostatními frakcemi. Největší hodnota poměru C/H vzorku HA2 v porovnání se vzorky HA3-5 vedla k závěru, že tento vzorek obsahoval největší podíl aromatických struktur70. Poměr C/H klesal v pořadí HA2>HA3>HA4=HA5. Podle literatury je snižující se hodnota poměru C/H spojena s rostoucím množstvím alifatických struktur72,73. Vzorky HA3 a HA4 můžeme tedy považovat v porovnání se vzorkem HA2 za více alifatické. Z elementární analýzy dále vyplývá, že množství kyslíku ve vzorcích rostlo v pořadí HA2
Výsledky elementární analýzy vzorků HA1-5 popel 2.3 2.1 1.2 3.1 2.4

C (%) 57.2 53.7 50.1 47.6 50.9

H (%) 4.6 4.7 6.4 6.8 7.2

46

N (%) 1.0 1.0 1.3 1.3 1.1

O (%) 37.2 40.6 42.2 44.3 40.8

C/H 12.4 11.5 7.9 7.0 7.1

C/O 1.5 1.3 1.2 1.1 1.3

5.2

FTIR spektroskopie

FTIR spektroskopická měření termicky neupraveného vzorku HA1 a jeho frakcí HA2-5 vykazovala typická spektra publikovaná mnoha autory6,53,75,76. Přiřazení absorpčních pásů k jednotlivým skupinám udává tabulka 7. Tabulka 7

Nejdůležitější absorpční pásy IR spektra77,78 vlnočet (cm-1)

Skupina

3400-3300

H-vázaný v OH, N-H vazba (stopy)

3230

aromatická C-H vazbová

2940-2900

alifatická C-H vazbová

1725-1720

C=O vazba v COOH a ketonech (stopy)

1660-1630

C=O amidická (I.), chinoidní C=O a/nebo C=O H-vázaný konjugovaný keton

1620-1600

C=C aromatická, silně H-vázaná C=O konjugovaného ketonu (?)

1590-1517

COO- symetrická vazbová, N-H deformace + C=N vazba (II.)

1460-1450

Alifatická C-H

1400-1390 1280-1200

C-O vazba a OH deformace COOH, CO vazba aryl etherů

1100-1045

C-C nebo C-OH vazbová

1170-950

5.3

OH deformovaná a C-O vazba fenolická, C-H deformace CH2 a CH3 , COO- antisym.

C-O vazba polysacharidů nebo podobných sloučenin, Si-O silikátových nečistot

Termická analýza pH separovaných frakcí huminových kyselin

Všechny DSC křivky lignitických huminových kyselin HA1-5, normalizovaných na jednotkovou hmotnost, byly charakteristické 1 endotermním a 2 až 5 exotermními píky (obrázek 11). Každý pík představoval tepelný efekt, který byl spojen s částečným úbytkem hmotnosti. Hodnoty excerpované z obrázku 11 jsou sumarizovány v tabulce 8.

47

Obr. 11

DSC křivky vzorků huminových kyselin HA1-5, exotermický pík ↑

Vzorek HA1 reprezentující celkovou směs huminových kyselin vykazoval nejjednodušší TA křivku s jedním endotermním a dvěma silnými a jedním slabým exotermním píkem. Široký tvar obou exotermních píků je výsledkem skutečnosti, že tento vzorek obsahuje nejširší spektrum molekul huminových kyselin. Komplexní charakter huminových kyselin vede k závěru, že fyzikálně-chemické procesy indikované těmito píky mohou být tvořeny celou řadou reakcí (degradace, rekombinace, tání, vypařování, sublimace atd.) spojených jak s exotermními tak endotermními procesy. Větší počet a užší tvary exotermních píků DSC křivek vzorků HA2-5 potvrdily, že postupnou frakcionací vzorku HA1 došlo k extrakci užších spekter molekul huminových kyselin. Byly zaznamenány posuny maxim u druhého exotermního píku u vzorků HA2-5 k nižším teplotám oproti původnímu HA1. V oblasti třetího exotermu došlo jednak ke štěpení a jednak k posunu píku HA5 k vyšším teplotám v porovnání s HA2-4. Štěpení bylo rovněž zaznamenáno u vzorku HA2. Vzorek HA1 v této oblasti vykazoval stále nejvyšší tepelnou stabilitu. U frakcí HA2-5 byly ještě zaznamenány slabé exotermické píky při teplotách kolem 500°C a výše. V případě frakce HA1 se tento pík zřejmě skrývá ve třetím exotermickém píku překrývající výše zmíněné teplotní pásmo, což potvrzuje i slabý náběh u konce tohoto píku. Pozoruhodný je fakt, že se zvyšujícím se množstvím kyslíku v molekulách huminových frakcí HA2-4 byla pozorována vyšší stabilita vzorků, což je v oblasti huminové chemie poměrně vzácný jev, takže lze jen potvrdit konstatování Peuravuoriho62, že nejen aromaticita sama o sobě je stabilizujícím faktorem. Druhým zajímavým jevem je nejvyšší stabilita frakce HA1, která sloužila jako matrice pro extrakci vzorků HA2-5. Detailně jsou jednotlivé píky diskutovány níže.

48

Maximum prvního endotermního píku se nachází v rozmezí 40 – 100°C pro každý vzorek a ve všech případech byl spojen s odstraněním přítomné vlhkosti vzorku (dehydrataci). Podle Petrosyana51 může být tento endotermní efekt spojen také s částečnou destrukcí periferních alifatických částí. Hmotnostní úbytek spojený s tímto endotermním procesem byl srovnatelný s již publikovanými daty66. V našem případě tvořila přítomná vlhkost přibližně 9% hmotnosti vzorku což souvisí s vyšší hygroskopičností vzorků připravených lyofilizací6. V rozsahu 110 – 210°C se objevuje velmi slabý, široký a těžko definovatelný, v našem případě exotermický pík, spojený s lehkým hmotnostním úbytkem. Některé práce publikované dříve popisují pík nacházející se v tomto teplotním intervalu jako endoterm61. Podle Peuravuoriho je tento proces spojený s degradací prvních lehkých frakcí molekul huminových kyselin. V našem případě FTIR spektra termicky upravených vzorků vykazovala slabý pokles intenzity širokého píku v oblasti 3400 cm-1 , zatímco píky v oblasti 2920 až 2960, 1710, 1610, 1200 cm-1 nevykazovaly žádnou změnu. Z toho můžeme usuzovat, že v našem případě došlo v tomto teplotním intervalu pouze k odstranění posledních zbytků vázané vlhkosti případně k odpaření těkavějších molekul56. Hmotností úbytek všech vzorků nepřevyšoval 11%. V této oblasti tedy dochází jak k exotermním tak endotermním dějům což může být spolu s nepatrným hmotnostním úbytkem příčinou horší definovatelnosti tohoto píku.

V rozsahu 240 – 380°C se nachází dobře definovatelný široký exotermický pík pro vzorky HA1 a HA3-HA5. V případě vzorku HA2 je tento pík v porovnání s předchozími frakcemi podstatně hůře viditelný a definovatelný (viz obrázek 12). Podle Campanelly a Petrosyana je termická degradace spojovaná s tímto exotermickým píkem spojená s destrukcí alifatických skupin, CH skupin, sacharidických komponent, některých kyslíkatých funkčních skupin (alkoholické a fenolické) a amino skupin. Někteří autoři61,51 tento pík připisují rovněž částečné destrukci karboxylových skupin. Naproti tomu Schnitzer50 předpokládá již úplnou dekarboxylaci. V našem případě FTIR spektra potvrzují spíše první předpoklad. Ve všech případech zmizely píky v oblasti 2900-2980 cm-1 , které jsou připisovány vibracím alifatických částí organických molekul, dále pak snížení intenzit v oblastech 1550, 1420, 1250, 1040 cm-1. Na druhou stranu byl pozorován vzrůst v oblastech 3400 a 1520-1720 cm-1. Elementární analýza a C/H poměr vzorku HA2 nám naznačili, že tento vzorek obsahoval největší podíl aromatických struktur v porovnání se vzorky HA3, HA4 a HA5. Exotermický pík vzorku HA2 byl proto hůře definovatelný, protože se degradoval jen malý obsah alifatických struktur v porovnání s frakcemi HA3-5 (tabulka 8) C/H poměr vzorků HA3 a HA4 naznačuje, že vzorek HA4 je více alifatický než vzorek HA3. Entalpie vypočítaná z druhého exotermu vzorku HA4 je ovšem menší než entalpie u vzorku HA3 (tabulka 8). Rovněž hmotnostní úbytek vzorku HA3 je vyšší než u HA4 což je v rozporu s naší představou alifatičtějšího vzorku HA4. Možným vysvětlením této skutečnosti může být rozdílné množství kyslíkatých funkčních skupin vázaných na alifatické řetězce jednotlivých frakcí. Je dobře známo, že entalpie rozkladu na kyslík bohatších organických molekul bývá nižší než molekul s nižším obsahem kyslíku56. Je také pravděpodobné, že zároveň dochází i k odpařování určitých molekul huminových kyselin případně

49

k rekombinačním procesům (vznik chinoidních struktur), které mohou změřená tepla značně zkreslit. Vzorek HA5 i přes původně předpokládanou vysokou aromaticitu vykázal relativně vysokou entalpii ve srovnání se vzorky HA1 a HA2. Získané výsledky naznačují skutečnost, že se opravdu jedná především o aromatický systém bohatě substituovaný kyslíkatými funkčními skupinami a že druhý exoterm odpovídá destrukci sice malého množství alifatických molekul tohoto vzorku „nezhášených“ však na nich vázanými kyslíkatými skupinami. K těmto závěrům přispívají také výsledky z TG analýzy. Vzorek HA1 vykazoval velmi slabý exoterm mírně posunutý k vyšším teplotám v porovnání s ostatními vzorky. Stejně tak jako výsledky z elementární analýzy tak i z termogravimetrie naznačují vysokou aromaticitu tohoto vzorku v porovnání s ostatními.

Obr. 12

DSC křivky vzorků huminových kyselin HA1-5 v teplotní rozsahu 240-380°C.

Dobře definovatelná, ale komplikovanější skupina exotermických píků se nachází v teplotním intervalu 380 – 480°C v případě vzorků HA2-4, 380-520°C u vzorku HA5 a 380-550 u vzorku HA1 (obrázek 13). V případě vzorků HA1, HA3 a HA4 se jednalo o jednoduchý exotermický pík, zatímco u vzorků HA2 a HA5 došlo k jeho štěpení na dva neseparované píky. Exotermické píky vzorků HA2 a HA5 jsou zároveň podstatně širší v porovnání s píky pro vzorky HA3 a HA4. Z DSC křivek pro tuto oblast je také patrné, že došlo k posunu maxim píků k vyšším teplotám v pořadí HA2
50

zřejmě alifatickým strukturám vzniklých termickou degradací aromatických struktur. Středně silný pík při 1620 cm-1 lze přiřadit zbytkovým termicky stabilním heterocyklickým molekulám. Pík, jehož intenzita je nejmarkantnější po tepelném opracování huminového vzorku na teploty nad 500°C je pozorovatelný v oblasti 1050 cm-1 a odpovídá vibracím Si–O, který je přítomen v nespalitelném zbytku. Z elementární analýzy vyplývá, že vzorek HA2 obsahoval v porovnání s frakcemi HA3 a HA4 nižší množství přítomného kyslíku. Obsah kyslíku se zvyšoval v tomto pořadí: HA2
Obr. 13

DSC křivky vzorků huminových kyselin HA1-5 v teplotní rozsahu 380-550°C.

51

Poslední skupina slabých exotermických píků se na DSC křivkách nachází v teplotním intervalu 480 – 550°C (obrázek 14). Tento exotermický efekt vykazovaly frakce HA2, HA3, HA4 a HA5. Hmotnostní úbytek spojený s tímto procesem byl nepatrný. V případě vzorku HA1 se tento exotermní pík neobjevoval pravděpodobně z důvodu vysoké heterogenity tohoto vzorku. Tento pík se nejspíše nachází v širokém exotermickém píku který byl jak již bylo zmiňováno ze všech nejširší. Podle Petrosyana51 jsou exotermické píky vyskytující se při těchto vysokých teplotách spojeny s destrukcí nejstabilnějších cyklických uhlíkatých skupin obsahujících ve své struktuře vázaný dusík a oxidačních produktů termické degradace. V oblasti 600°C již došlo k téměř úplné degradaci vzorku, zbylo pouze nepatrné množství popele (do 3,5%). Vzhledem k tomu, že měřené huminové vzorky byly velmi čisté, teplota 600°C byla pro termickou degradaci plně dostačující. Z publikované literatury53 je patrné, že vyšší obsah anorganických nečistot vede k termické stabilizaci huminové matrice (dochází k rekombinaci anorganické a organické části vzorku, dochází k tvorbě uhličitanů apod.). V našem případě však bylo cílem analyzovat pochody související pouze s organickou částí huminových kyselin a proto byly před analýzou zbaveny co největšího množství popelovin.

Obr. 14

DSC křivky vzorků huminových kyselin HA1-5 v teplotní rozsahu 480-550°C

52

Tabulka 8

Termoanalytické hodnoty z DSC křivek pro huminové kyseliny extrahované postupnou frakcionací. TG hodnoty byly přepočteny na sušinu.

53

5.4

Termická analýza huminových kyselin extrahovaných z oxidovaného lignitu

Působení chemických činidel způsobuje větší či menší změny v uhelné hmotě. Z literatury24 je známo, že oxidací uhelné matrice lze zvýšit několikanásobně množství huminových látek. Tímto způsobem je například v Japonsku produkováno ročně tisíce tun tzv. regenerovaných huminových kyselin80. Jak je zřejmé z reakčních mechanismů popsaných níže a jak vyplývá z vysoké heterogenity lignitu, případně huminových kyselin, při oxidaci dochází k celé řadě následných a paralelních reakcí a proto nelze stanovit jednoznačný kinetický model této reakce. Z předcházejících prací24,71,81 vyplývá, že reakčními podmínkami (čas oxidace a koncentrace oxidačního činidla) mohou být produkovány huminové kyseliny požadovaných vlastností. Jak již bylo naznačeno v předcházejících statích, důsledkem různého charakteru huminové matrice je i různá termická stabilita a potažmo i biodegradabilita56. Průběh oxidace se vyznačuje růstem obsahu kyslíku ve vrstvách při povrchu jednotlivých částic lignitu. Současně klesá obsah uhlíku a vodíku. Stoupá-li při tom teplota, proces se urychluje, ovšem jen do určitého maxima. Překročí-li se toto maximum, nastává naopak odštěpování oxidu uhličitého, vody i menších množství oxidu uhelnatého, které převažuje nad adsorpcí kyslíku. Použitím silnějšího oxidačního činidla případně delší doby oxidace vede k podobnému výsledku24. Oxidace kyselinou dusičnou nastává nejsnáze na takovém uhlíku, který již má nějakou funkční skupinu (alkoholickou, aldehydickou). Také v sousedství uhlíku s takovou funkční skupinou dochází snadno k oxidaci (oxidace ketonů). V samotných uhlovodících dochází nejdříve k oxidaci na terciárním uhlíku, hůře se oxiduje skupina methylenová a nejhůře methylová. Ke kyselině dusičné jsou tedy nejcitlivější sloučeniny nebo místa s rozvětvenými řetězci, zatímco nerozvětvené kruhy nebo řetězce budou značně odolnější.

Oxidace methylových a methylenových skupin Podle uvedené řady je nerozvětvený uhlovodík jednou z nejobtížněji oxidovatelných organických sloučenin.

CH3

CH2OH

CHO

CH2

CHOH

CO (

COOH COOH za štěpení vazby C C )

Schopnost oxidace alkylové skupiny se podstatně zvýší, je–li tato skupina vázána na dvojnou vazbu, např. na karboxylovou skupinu nebo aromatické jádro. V tomto případě je reakce mnohem jednoznačnější (selektivnější) a vzniká málo vedlejších produktů. Konečnými zplodinami reakce jsou karboxylové kyseliny.

54

Oxidace alkylderivátů aromatických uhlovodíků na aromatické karboxylové kyseliny Delší, popř. rozvětvené nebo nenasycené postranní řetězce aromatických uhlovodíků se oxidačními činidly úplně oxidují za vzniku karboxylové skupiny, vázané přímo na aromatické jádro.

H3C

H3C HNO3

CH3

COOH

Při oxidaci kyselinou dusičnou je však nutno počítat se vznikem nitrosloučenin. Oxidace primárních a sekundárních alkoholů aldehydů Primární a sekundární alkoholy reagují s oxidačními činidly již za podstatně mírnějších podmínek, kdežto terciární alkoholy se dají oxidovat jen těžko a za štěpení vazby C – C.

CH2OH

CHO

CHOH

CO

COOH

Oxidace primárních a sekundárních alkoholů aldehydů na karboxylové kyseliny Všech oxidačních činidel, která oxidují primární alkoholy na aldehydy, se dá také použít k přípravě karboxylových kyselin z alkoholů (mezistupněm při oxidaci jsou aldehydy) a z aldehydů. Oxidace násobných vazeb mezi uhlíky Násobné vazby mezi uhlíky jsou velmi citlivé vůči oxidaci kyselinou dusičnou. Nejprve nastává adice dvou hydroxylových skupin a vzniklý glykol se obvykle ihned oxiduje dále za štěpení vazby C – C, čímž vznikají buď kyseliny, nebo ketony:

C CH

C

C O + HOOC

C

OH OH Oxidace aromatických sloučenin Aromatický kruh je vůči mírné oxidaci stálý a oxiduje se tím hůře čím je aromatičtější. Oxidací vznikají karbonylové nebo karboxylové sloučeniny. Oxidací aromatických kruhů vznikají sloučeniny chinoidního charakteru.

55

Regenerované huminové kyseliny byly připraveny podle postupu uvedeného ve stati 4.3. Naměřené DSC křivky týkající se huminových kyselin extrahovaných z lignitu oxidovaného 2% kyselinou dusičnou jsou uvedeny na obrázku 15, v příloze a z nich excerpovaná data v tabulkách 9 a 10.

Obr. 15

DSC křivky vzorků OX0220, OX0230, OX0240 a OX0260, exotermický pík ↑

Z naměřených dat týkajících se oxidací 2% kyselinou dusičnou je patrný posun druhého exotermu s časem oxidace k vyšším teplotám (obrázek 16), i větší množství tepla uvolněného při tepelné degradaci. Z reakčních mechanismů uvedených výše vyplývá, že oxidace alifatického řetězce probíhá velmi pomalu, zatímco oxidace funkčních skupin, jakými jsou hydroxylové a aldehydové skupiny probíhá rychleji. Oproti původně očekávaného snížení intenzity píků v důsledku tvorby karboxylových skupin a tudíž i snížení entalpie oxidační degradace byl zaznamenán opačný trend. Z výsledků měření, při nichž byly analyzovány jednotlivé pH frakce vyplývá, že frakce HA4, která byla oproti vzorkům HA2-3 kyselejší, vykazovala oproti předchozím dvěma posun druhého exotermu k vyšším teplotám. Můžeme se proto domnívat, že s časem dochází k postupné oxidaci hydroxylových a aldehydických skupin na skupiny karboxylové a zároveň skupin karboxylových na CO2 a H2O, čímž se zvyšuje množství alifatických konců molekul huminových kyselin. Tento fakt byl rovněž zaznamenán pomocí FTIR spektroskopie (zvýšení podílu intenzit píků 2923 a 2850 cm-1). Dále bylo pozorováno snížení intenzity v oblastech 3400, 1710, 1510, 1200 cm-1 vůči píkům alifatických skupin, a proto se lze domnívat, že již také dochází k oxidaci méně stabilních aromatických molekul.

56

Obr. 16

DSC křivky vzorků OX0220, OX0230, OX0240 a OX0260, oblast 200-380°C

U oxidace 5, 10, 15 a 20% kyselinou dusičnou jednoznačné trendy pozorovány nejsou. Ve většině případů vykazuje nejintenzivnější pík frakce oxidovaná nejdelší dobu. Je zřejmé, že z naměřených dat nelze určit jednoznačný charakter oxidace. Lze však určit, alespoň přibližně, počátek jednotlivých degradačních pochodů a z nich pak posuzovat stabilitu jednotlivých produktů. Počátky jednotlivých degradací se mění s koncentrací oxidačního činidla a i přes zjevně oscilační charakter oxidace lze dedukovat optimální podmínky reakce pro získání stabilnějších nebo nestabilnějších frakcí. Tento fakt může sehrát významnou úlohu při potencionálním industriálním využití huminových kyselin. Rovněž skupina třetích exotermů vykazovala změny v závislosti na době oxidace. Při použití nižších koncentrací oxidačního činidla byl zřejmý posun teplotních maxim v závislosti na době oxidace (obrázek 17). Zároveň je patrné, že s rostoucí dobou oxidace dochází k „homogenizaci“, která má za následek zúžení a neštěpení píků. Tato skutečnost nejspíš vyplývá z faktu, že aromatické kruhy jsou vůči oxidaci méně stálé, ale oxidují se tím hůř, čím vyšší je stupeň jejich aromaticity82. Jako oxidační produkty pak vznikají chinony, nebo karboxylové sloučeniny. Jak bylo dokázáno při studiu tepelného chování frakce o pH=7 (HA2), nejprve dochází k tepelné destrukci karboxylových skupin a až poté polykondensovaných a chinoidních struktur. Použití vyšší koncentrace oxidačního činidla má za následek urychlení jednotlivých reakcí a tudíž znesnadnění posouzení vlivu oxidace na výsledné huminové kyseliny. Tato skutečnost je zřejmě důvodem posunu teplotních maxim těchto píků v závislosti na době oxidace.

57

Obr. 17

DSC křivky vzorků OX0220, OX0230, OX0240 a OX0260, oblast 440-560°C

Z naměřených dat a uvedených závěrů vyplývá, že studium kinetiky oxidace lignitu kyselinou dusičnou za pomocí termické analýzy zůstává stále nezodpovězenou otázkou. Původní záměr dedukovat reakční mechanizmy z posunů maxim a změřené entalpie jednotlivých termodestrukčních procesů se ukázal jako příliš optimistický. Vysoká heterogenita oxidovaného substrátu je příčinou vysokého množství nejrůznějších paralelních, konsekutivních a možná i zpětných reakcí znemožňujících alespoň rámcově popsat studovaný děj. Výjimku tvoří snad pouze oxidační řada, při níž bylo použito nejméně koncentrované kyseliny dusičné. Je proto na dalších řešitelích zodpovědět otázku, zda snížení koncentrace a časových intervalů pomůže tuto komplexní problematiku objasnit.

58

Tabulka 9

Termoanalytické hodnoty z DSC křivek pro huminové kyseliny extrahované z předem oxidovaného lignitu.

59

Tabulka 10

Termoanalytické hodnoty z DSC křivek pro huminové kyseliny extrahované z předem oxidovaného lignitu

60

5.5

Výpočet indukční periody dekompozice vybraných vzorků

Indukční perioda dekompozice huminových vzorků byla měřena na třech vybraných vzorcích; prvním vzorkem byla huminová kyselina extrahovaná z neoxidovaného lignitu (HA1), druhým pak huminová kyselina extrahovaná z lignitu oxidovaného 10% HNO3 po dobu 30minut (OX1030) a poslední huminová kyselina extrahovaná z lignitu oxidovaného 20% HNO3 po dobu 60 minut (OX2060). Měření bylo prováděno neizotermicky pro rychlosti ohřevu 1, 3, 5, 9, 12 a 15°C/minutu v oxidační atmosféře s průtokem kyslíku 20ml/minutu (obrázek 18). Z naměřených dat (extrapolovaný náběh píku – onset) byly za pomocí programu TIND poskytnutého laskavě prof. Ing. Peterem Šimonem, DrSc. vypočítány (viz kapitola 3.4.6.3) konstanty A a B (tabulka 11) a z nich poté vypočítány hodnoty experimentálních i teoretických indukčních period v závislosti na teplotě (tabulka 12, 13, 14).

Obr. 18

Tabulka 11

DSC křivky vzorku HA1 měřené při různých rychlostech ohřevu

Hodnoty kinetických parametrů A a B Vzorek

A/min

10-3⋅B/K

HA1 OX1030 OX2060

9,89 ⋅10-11 1,88⋅10-11 5,46⋅10-16

12,5 12,9 17,7

61

Z naměřených extrapolovaných začátků píků (onsetů) byla dále vynesena jejich závislost při různý rychlostech ohřevu. Tato závislost je vidět na obrázku 19. 270 260

Teplota / °C

250 240 230 220 vzorek HA1 210

vzorek OX1030 vzorek OX2060

200 190 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Rychlost ohřevu °C/min

Obr. 19

Závislost naměřených onsetů na rychlosti ohřevu

Tabulka 12 °C/min 1 3 5 9 12 15

T (°C) onset (exp.) T (°C) onset (teor.) 208,09 210,29 232,50 230,14 241,12 239,91 253,51 251,61 257,10 257,53 259,46 262,21

Tabulka 13 °C/min 1 3 5 9 12 15

Naměřené a vypočítané onsety a indukční periody pro vzorek HA1

∆Τ -2,20 2,36 1,21 1,90 -0,43 -2,75

t(i) exp. (min.) t(i) teor. (min.) 19,02 16,89 5,42 6,09 3,58 3,79 2,02 2,20 1,72 1,69 1,55 1,37

Naměřené a vypočítané onsety a indukční periody pro vzorek OX0220

T (°C) onset (exp.) 199,13 214,38 220,11 233,13 242,24 245,41

T (°C) onset (teor.) 196,74 214,95 223,89 234,58 239,98 244,24

62

∆Τ 2,39 -0,57 -3,78 -1,45 2,26 1,17

t(i) exp. (min.) t(i) teor. (min.) 13,82 15,88 5,88 5,70 4,32 3,54 2,20 2,05 1,40 1,57 1,21 1,27

Tabulka 14 °C/min 1 3 5 9 12 15

Naměřené a vypočítané onsety a indukční periody pro vzorek OX2060

T (°C) onset (exp.) T (°C) onset (teor.) 196,8 197,12 210,92 210,54 218,24 217,04 225,69 224,73 228,07 228,58 230,12 231,60

∆Τ

t(i) exp. (min.) t(i) teor. (min.) 12,57 12,25 4,19 4,31 2,43 2,65 1,42 1,52 1,20 1,16 1,04 0,94

-0,32 0,38 1,20 0,96 -0,51 -1,48

Z takto naměřených závislostí a získaných hodnot onsetů píků při různých rychlostech ohřevu byla za pomocí rovnice (23) vypočtena indukční perioda. Závislost experimentálně vypočtené indukční periody na teplotě je znázorněna na obrázku 20.

20 18 vzorek HA1

Indukční perioda / min

16

vzorek OX1030

14

vzorek OX2060

12 10 8 6 4 2 0 190

200

210

220

230

240

250

260

270

Teplota /°C

Obr. 20

Závislost indukční periody na teplotě pro vzorky HA1, OX1030 a OX2060

Jak již bylo zmíněno v kapitole 3.4.6.3, výpočet indukční periody slouží především k účelu zabezpečení bezpečnosti a požadované kvality produktů. Využití této metody v oblasti huminové chemie se pak nabízí přinejmenším ve dvou oblastech. V první řadě při stále více diskutovaném industriálním využití huminových látek jako adsorbentu využitelného při likvidaci ekologických havárií, tj. odhadu stability komplexu polutant-huminová kyselina a dále pak v jejich agronomické aplikaci při níž otázka stability může být posuzována z pohledu uvolňování žádoucích živin. Je zřejmé, že vypočtená data mohou prozatím sloužit spíše jako orientační hodnoty k posouzení stabilit jednotlivých huminových frakcí. Z provedených experimentů vyplývá, že nejstabilněji se chovají huminové kyseliny, které nebyly extrahovány z předem oxidovaného lignitu.

63

6 ZÁVĚR Hlavním cílem předkládané práce bylo prostudovat možné aplikace metod DSC a TG při studiu huminových látek. Jak je zřejmé z dílčích závěrů, termoanalytické, stejně tak jako i jiné metody, umožňují studium chování systému jako celku, nikoliv však na molekulární úrovni. I když byla za účelem zjednodušení zkoumaného systému aplikována metoda frakcionování, získané výsledky podávají pouze globální obraz celé problematiky. Termoanalytická studie frakcí huminových kyselin separovaných při různém pH potvrdila, že postupnou frakcionací původního vzorku došlo k separaci užších spekter molekul huminových kyselin. Tento fakt se na DSC křivkách projevil větším počtem a užšími tvary exotermických píků v porovnání s původním vzorkem. Rovněž termogravimetrie odhalila rozdíly ve změně hmotnostních úbytků souvisejících s jednotlivými degradačními kroky. Studium dějů probíhajících během oxidace lignitu kyselinou dusičnou pomocí termické analýzy neodhalilo vždy jednoznačné chování. Byly pozorovány posuny maxim píků a změny entalpií příslušející jednotlivým dějům, avšak jednoznačný trend pozorován nebyl. Výjimku tvoří pouze produkty získané po oxidaci 2% kyselinou dusičnou. Výsledky měření indukční periody ukazují na vysokou stabilitu huminové kyseliny extrahované z jihomoravského lignitu, který nebyl nijak upravován. Za pomocí zvolených rovnic lze pak odhadnout stabilitu jednotlivých frakcí regenerovaných huminových kyselin. V budoucnu může být tato metoda využita k výpočtu stabilit komplexů huminová kyselinapolutant, případně huminová kyselina-rostlinný nutrient.

64

7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1

Hubáček J., Kessler M.F., Ludmila J., Tejnický B., v knize: Chemie uhlí; SNTL, SVTL: Praha, Bratislava, str. 184-370, 1962

2

Roubíček V., Buchtele J.: Chemie uhlí a jeho využití. Technické centrum, Ostrava 1996

3

Pekař M., Klučáková M.: Alternativní, neenergetické Chemagazín 2003, roč.13, č.1 s. 8-10. ISSN 1210-7409

4

Lapčík L., Kaloč L., a spol., Souhrnná zpráva o vývoji nekonvenčních aplikací jihomoravských lignitů,Vol. 1-8, FCH VUT Brno a Lignit Hodonín s.r.o., Brno, 1994

5

Mikulášková B., Studium zpracování jihomoravského lignitu fyzikálními a chemickými procesy, Disertační práce, VUT Brno, 1997

6

Stevenson F.J., Humus Chemistry: Genesis, composition, reactions, 2nd ed. New York, Brisbane, Toronto, Singapore, 1994. ISBN 0-471-59474-1

7

Szalay A., Geochim. Cosmochim. Acta , 1964

8

G. R. Choppin, B. Allard, Handbook on the Physics and Chemistry of the Actinides, A. J. Freeman, C. Keller; Elsevier Science Publishers: Amsterdam, the Netherland, B.V. 1985, pp 407-429

9

Achard F.K., Crells Chem. Ann., 2,391, 1786

10

T. de Saussure, Recherches Chemiques sur la Végetation, Paris, 1804

11

Sprengel C., Kastners Arch. Ges. Naturlehre, 8, 145 1826

12

Sprengel C., Die Bodenkunde oder die Lehre vom Boden, Müller, Leipzig, 1837

13

Berzelius J. J., Lehrbuch der Chemie, Wöhler, Dresden and Leipzig, 1839

14

Mulder G. J., Die Chemie der Ackerkrume, Müller, Berlin, 1862

15

Oden S., Kolloid Z., 14, 123, 1914

16

Oden S., Kolloidchem. Beih., 11, 75, 1919

17

Waksman S. A., Humus, Williams and Wilkins, Baltimore, 1936

18

W. J. Cooper, R. G. Zika, R. G. Pastasne, A. M. Fischer; Aquatic Humic Substances: Influence on Fate and Treatment of Pollutants; P. MacCarthy, I.H. Suffet Eds.; Advanced in Chemistry Series 219, American Chemical Society: Washington, DC, ; pp. 333-362, 1989

19

Ertel J. R., Hedges J. I., Geochim. Cosmochim. Acta, 48, 2065, 1985

20

Hodge J. E., J. Agr. Food Chem., 1, 928, 1953

21

Maillard L. C., Ann. Chim. Phys., 5, 258, 1916

65

aplikace

lignitu,

22

Stevenson F. J., Butler J. H. A., Chemistry of Humic Acids and Related Substances, in G. Eglinton and M. T. J. Murphy, Eds., Organic Geochemistry, Springer-Verlag, New York, pp. 534-557, 1969

23

Kučerík J., Studium chemických a fyzikálních metod transformací jihomoravského lignitu, Pojednání k disertační práci, VUT FCH Brno 2001

24

Zika T., Studium vlastností partikulárního jihomoravského lignitu, Diplomová práce, VUT FCH Brno, 2000

25

Gosh K., Schnitzer M., Soil Sci., , 129, pp. 266-276, 1980

26

Wershaw, R.L., A new model for humic materials and their interactions with hydrophobic organic chemicals in soil-water or sediment water systems. Journal of Contamination and Hydrology 1, pp. 29-45, 1986

27

Wershaw, R.L., Model for humus in soils and sediments. Environmental Science and Technology 27, pp. 814-816, 1993

28

Conte, P., Piccolo, A., High pressure size exclusion chromatography (HPSEC) of humic substances: molecular sizes, analytical parameters, and column performance. Chemosphere 38 (3), pp. 517-528 1999a

29

Flaig W., Suomen Kem., A33, 229, 1960

30

Konovova M., Soil Organic Matter, Pergamon, London, 1966

31

Dubach P. and Mehta N. C., Soils Fert., 26, 293, 1963

32

Gjessing E. J., Characterization of Aquatic Humus, Ann Arbor Science, Ann Arbor, Michigan, 1976

33

J. Gaffney, N. Marley, S. Clark, Humic and Fulvic Acids, American Chemical Society, 1996

34

Swift R. S. and Posner A. M., J. Soil Sci., 23, 381, 1972

35

Scheffer F., E. Welte, Z. Pflanzenernahr. Dunk. Bodenk., 39, pp. 250, 1950

36

Welte E., Z. Pflanzenernahr. Dunk. Bodenk., 56, pp. 105, 1952

37

Schnitzer M., „Selected Methods for the Characterization of Soil Humic Substances“ in P. MacCarthy, Clapp C. E., Malcolm R. L. and Bloom P. R. , Eds., Humic Substances in Soil and Crop Sciences: Selected Reading, Soil Science Society of America, Madison, pp. 65-89, 1990

38

Schnitzer M. Hindle C. A. and Meglic M., Soil Sci. Soc. Amer. J., 50, 913, 1986

39

Haworth R. D., Soil Sci., 111, 71, 1971

40

Fajnor V., Termická analýza, 2. vyd. Bratislava, 88 stran, ISBN 80-223-0874-9, 1995

41

Hatakeyma T., Quinn F. X. Thermal analysis, Fundamentals and applications to polymer science. Second edition, ISBN 0 471-98362-4, 1999

66

42

Málek J., Smrčka V., Studium kinetických procesů metodami termické analýzy, Čsl. konference, Thermanal, Bratislava,1991

43

Šesták J., Měření termofyzikálních vlastností pevných látek, Teoretická termická analýza, 240 stran 1. vydání, Praha 1982

44

Blažek A., Termická analýza, 1. vydání Praha, 1972

45

Šimon P., Svestík Š., Smrčková E., Palou M. Študijné materiály. v 1. letná škola termickej analýzy a kalorimetrie, Bratislava 20.-22.9. 2001

46

Šimon P., Kolman Ľ., DSC study of oxidation induction periods, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 64, pp. 813-820, 2001

47

Turner R. C., Schnitzer M., Thermogravimetry of the organic matter of podzol, Soil science, vol. 93, 1962

48

Van Krevelen, D.W., Van Heerden, C. and Huntjens F. J., Physicochemical aspects of the pyrolysis of coal and related organic compounds. Fuel 30: pp. 253-259, 1951

49

Agroskin A. A. and Miringof N. S., Kinetics of volatile matter evolution from heated lignite. Torfyanaza Prom. 37 (7): pp. 22-24, 1960

50

Schnitzer M., Hoffman I., Thermogravimetric analysis of salts and metal complexes of a soil fulvic acid, Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 33, 31, pp. 7-15, 1967

51

Petrosyan G.P., Aranbaev M. P., Grigoryan F. A., Derivatographic investigation of mineralogical composition of fine-grained fractions and humus of arid zone soils, Thermal Analysis, Vol. 2, Budapest, 1974

52

Adam G. A., Razaq A. A., Zahrah A. A., Humic substances as new stabilisers of polyvinylchloride, Thermochimica Acta 99, pp. 217-222, 1986

53

Campanella L., Tomassetti M., Piccolo A., Thermogravimetric and IR analysis of different extract of humic substances. Thermochimica Acta 170, pp. 67-80, 1990

54

Gallo R., Ricca G., Severini F., Thermal behaviour of fulvic and humic acids in comparison wit maleic anhydride oligomer. Thermochimica Acta, 35, pp.1-7 1991

55

Ricca G. And Severini F., Polymer, 29, pp. 880, 1988

56

Buurman P., Aran D., Relation between Thermal and Microbial Degradability in Podzol Organic Matter in Drozd J., Gonet S. S., Senesi N., Weber J., The Role of Humic Substances in the Ecosystems and in Environmetal Protection, 1997

57

Buurman P., Van Doesburg J.D.J., and Fernandes Marcos M.L.: Changes in thermal properties of podzol-B organic matter with profile development. In Senesi N., Miano T.M. Humic substances in the global environment and implications for human health. pp. 541-548. Elsevier, Amsterdam, 1994

67

58

Leinweber P., Jordan E., and Schulten H.R. Molecular characterization of soil organic matter in Pleistocene moraines from the Bolivian Andes. Geoderma 72:133-148, 1996

59

Boudot J.P., A. bel Hadj Brahim, Steiman R., and Seigle-Murandi F. Biodegradation of synthetic organo-matallic complexes of iron and aluminium with selected metal to carbon ratios. Soil Biology and Biochemistry, 21:961966, 1989

60

Esteves I. V., Duarte C. A., Thermogravimetric properties of aquatic humic substances. Marine Chemistry 63, pp. 225-233, 1999

61

Provenzano M. R., Senesi N., Thermal properties of standard and reference humic substances by differential scanning calorimetry, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 57, pp. 517-526, 1999

62

Peuravuori J., Paaso N., Pihlaja K., Kinetic study of thermal degradation of lake aquatic humic matter by thermogravimetric analysis, Thermochimica Acta 325, pp. 181-193, 1999

63

Schaumann G. E., Antelmann O., Thermal characteristics of soil organic matter measured by DSC: A hint on a glass transition. J. Plant. Nutr. Soil Sci. 163, pp. 179-181, 2000

64

LeBoef E. J., Macromolecular characteristics of natural organic matter and their influence on sorption and desorption behaviour of organic chemicals. Ph. D. Thesis, University of Michigan, Sect. Environmental Engineering, 1998

65

LeBoef E. J., Weber W. J. Jr, A distributed reactivity model for sorption by soils and sediments. 8. Sorbent organic domains: Discovery of a humic acid glass transition and an argument for a polymer – based model. Environ. Sci. Technol. 31(6) pp. 1697-1702, 1997

66

Buurman P., B. van Lagen, Piccolo A., Increase in stability against thermal oxidation of soil humic substances as a result of self association, Organic Geochemistry, 33, pp. 367-381, 2002

67

Piccolo A., Conte P., Molecular size of humic substances. Supramolecular associations versus macromolar polymers. Advances in Environmental Research 3, 508-521, 2000

68

Conte P., Piccolo A., Conformational arrangement of dissolved humic substances. Influence of solution composition on the association of humic molecules. Environmental Science and Technology 33, pp. 1682-1690, 1999

69

Kučerík J.: Aplikace metody Terrella L. Hilla na problém partikulace lignitu, Diplomová práce, FCH VUT v Brně, 1998

70

Kučerík J., Conte P., Pekař M., Piccolo A., Conformation behaviour of lignite humic fractions separated by sequential pH- extractions, Fressenius Environmental Bulletin, posláno do tisku, 2003

68

71

Kaláb M., Studium úpravy povrchových a objemových jihomoravských lignitů, Diplomová práce, VUT FCH Brno, 1999

72

Steeling C., Implications of elemental characteristics of humic substances v knize Humic substabces in soil, sediment, and water, John Wiley and Sons, Inc. Canada, 1985

73

Huffman, E.W.D., Stuber, H.A., Analytical methodology for elementary analysis of humic humic substances. In: Aiken, G.R., McKnight, D.M., Weshaw, R.L., McCarthy, P. (Eds.) Humic Substances in Soil, Sediment, and water. Geochemistry, Isolation, and Characterization, Wiley, New York, USA, 1985

74

Piccolo, A., Campanella, L., Petronio, B.M., 13C-NMR spectra of humic substances extracted with different mechanisms. Soil Science Society of America Journal, 54, pp. 750-755, 1990

75

Davis, W.M., Erickson, C.L., Johnston, C.T., Delfino, J.J., Porter, J.E.,. Quantitative Fourier transform infrared spectroscopic investigation of humic substance functional group composition. Chemosphere, Vol. 38, No. 12, 1999

76

Shin, H.-S., Monsallier, J.M., Choppin, G.R., Spectoscopic and chemical characterizations of molecular size fractionated humic acid. Talanta 50, 1999

77

Schnitzer M.,Kahn S. U., Humic Substances in the Environment; M. Dekker, Inc.: New York, NY 1972

78

Sýkorová I., Novotná M., Pavlíková H.,Machovič V. : Coalbed Methane and Coal Geology, Gayer R., , Harris I., Eds. Geological Society Special Publication No.109: New York,; Petrological and spectroscopic structural characteristics of Bohemian and Moravian coals and their possible relation to gas proneness, str. 249-260. 1996

79

Griffith, G., Schnitzer M., Soil Sci. 122, 191, 1976

80

Rausa R., Girardi E., Calemma V., Humic acids from coal. Production, characterization and utilization. In Humic Substances in the Global Environment and Implications on Human Health. pp. 1225-1244, Elsevier Amsterdam, 1994

81

D.W. Van Krevelen in: Coal Typology, Chemistry, Physics, Constitution. L.L. Anderson (Ed.) Elsevier, 1981

82

Hrnčiar P., Organická chémia, vydání 4., Bratislava, ISBN 223-1161-8, 1997

69

vlastností

8 PŘÍLOHY

Obr. 21

DSC křivka vzorku HA1

Obr. 22

DSC křivka vzorku HA1, oblast 220-400°C

70

Obr. 23

DSC křivka vzorku HA1, oblast 400-600°C

Obr. 24

DSC křivka vzorku HA2

71

Obr. 25

DSC křivka vzorku HA2, oblast 240-400°C

Obr. 26

DSC křivka vzorku HA2, oblast 350-600°C

72

Obr. 27

DSC křivka vzorku HA3

Obr. 28

DSC křivka vzorku HA3, oblast 220-390°C

73

Obr. 29

DSC křivka vzorku HA3, oblast 350-600°C

Obr. 30

DSC křivka vzorku HA4

74

Obr. 31

DSC křivka vzorku HA4, oblast 220-390°C

Obr. 32

DSC křivka vzorku HA4, oblast 390-600°C

75

Obr. 33

DSC křivka vzorku HA5

Obr. 34

DSC křivka vzorku HA5, oblast 190-400°C

76

Obr. 35

DSC křivka vzorku HA5, oblast 360-600°C

77

Obr. 36

DSC křivka vzorku OX0220

Obr. 37

DSC křivka vzorku OX0230

78

Obr. 38

DSC křivka vzorku OX0240

Obr. 39

DSC křivka vzorku OX0260

79

Obr. 40

DSC křivky vzorků OX0520, OX0530, OX0540 a OX0560

Obr. 41

DSC křivka vzorku OX0520

80

Obr. 42

DSC křivka vzorku OX0530

Obr. 43

DSC křivka vzorku OX0540

81

Obr. 44

DSC křivka vzorku OX0560

Obr. 45

DSC křivky vzorků OX1020, OX1030, OX1040 a OX1060

82

Obr. 46

DSC křivka vzorku OX1020

Obr. 47

DSC křivka vzorku OX1030

83

Obr. 48

DSC křivka vzorku OX1040

Obr. 49

DSC křivka vzorku OX1060

84

Obr. 50

DSC křivky vzorků OX1520, OX1530, OX1540 a OX1560

Obr. 51

DSC křivka vzorku OX1520

85

Obr. 52

DSC křivka vzorku OX1530

Obr. 53

DSC křivka vzorku OX1540

86

Obr. 54

DSC křivka vzorku OX1560

Obr. 55

DSC křivky vzorků OX2020, OX2030, OX2040 a OX2060

87

Obr. 56

DSC křivka vzorku OX2020

Obr. 57

DSC křivka vzorku OX2030

88

Obr. 58

DSC křivka vzorku OX2040

Obr. 59

DSC křivka vzorku OX2060

89

Obr. 60

FTIR spektra vzorku HA2: A, termicky neupravený; B, zahřátý na teplotu konce druhého exotermu; C, zahřátý na teplotu konce 3. exotermu (oblast štěpení 3. a 4. exotermu); D, zahřátý na teplotu konce 4. exotermu

Obr. 61

FTIR spektra vzorků C, OX0240; D, OX0260

huminových

90

kyselin:

A, OX0220;

B, OX0230;