Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 9, стр. 1359-1369

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исследуемого материала использовали опилки древесины осины (Populus Tremula) с размером частиц 0.315–0.63 мм и содержанием воды (moisture content – МС) 57–60% относительно массы абсолютно-сухой древесины (а.с.д.), МС = (${{m}_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}}$/${{m}_{{{\text{а}}{\text{.с}}{\text{.д}}}}}$) × 100%. Для приготовления образцов к навеске 0.30–0.35 г воздушно сухой древесины (МС 8% на г а.с.д., определенной, по методике [32]), добавляли 0.15–0.20 мл дистиллированной воды и выдерживали в течение 5–7 суток при t = 20°C в закрытой емкости для достижения набухания древесины. Конечное содержание воды контролировали гравиметрически.

Проведена серия опытов с различной продолжительностью обработки озоном образцов древесины массой 0.40–0.45 г. Озонирование проводили в проточной установке в термостатированном (25°С) реакторе с неподвижным слоем. Установка состояла из озонатора (Медозон 03/05), озонометра (Медозон 254/3) и каталитического патрона для разложения непрореагировавшего озона, описанного в [3].

Озон-кислородную смесь с концентрацией озона 90 ± 5 мг/л пропускали через реактор при объемной скорости потока 4 л/ч. Количество поглощенного озона Q_r(t) в момент времени t рассчитывали из кинетических кривых зависимости концентрации озона, согласно уравнению

где U – скорость потока газовой смеси (л/с), $C_{t}^{*}$ и ${{C}_{t}}$ – текущие значения концентрации озона (моль/л) на входе и выходе из реактора с исследуемым образцом, соответственно, m – масса а.с.д. Ошибка определения Q_r(t) – 10%. Степень превращения озона (α, %) в момент времени t рассчитывали по уравнению

Озонированные образцы ЛЦМ промывали дистиллированной водой для удаления водорастворимых продуктов озонирования; в зависимости от расхода озона их количество составило 10–30% на г а.с.д.; из них до 7–8% продуктов озонолиза ЛГ, остальное – часть ГЦ, ковалентно-связанных с ЛГ в лигноуглеводном комплексе и солюбилизированных в водную фазу [14]. Затем образцы ЛЦМ кондиционировались на воздухе при 20°С в течение 5 суток. Воздушно-сухие образцы исследовали методами спектроскопии КР, УФ-спектроскопии диффузного отражения и флуоресцентной спектроскопии.

Спектры КР регистрировали на приборе Bruker Equinox 55/S, с приставкой FRA 106/S. Длина волны возбуждающего излучения 1064 нм, мощность лазера 850 мВт, размер пятна 0.1 мм. Спектры регистрировали с четырех разных случайно выбранных точек образца. Экспериментальные КР-спектры нормировали к интенсивности полосы 1096 см^–1, затем определяли средние значения интенсивности некоторых полос в спектре КР. Дальнейшие операции производились с этими нормированными и усредненными спектрами.

УФ-спектры диффузного отражения (УФ-ДО) образцов древесины (100 мг) регистрировали на приборе Specord M-40 (Carl Zeiss Jena, Германия) с интегрирующей сферой в диапазоне 220–820 нм. При регистрации спектров УФ-ДО в качестве эталона использовали образец BaSO₄ (его отражение принимается за 100%).

Спектры возбуждения и эмиссии флуоресценции образцов древесины регистрировали при температуре 25 ± 0.2°С, на флуоресцентном спектрометре Fluorolog-3 (Horiba, Франция), оснащенном двойными монохроматорами в каналах возбуждения и эмиссии и ксеноновой лампой высокого давления мощностью 450 Вт в качестве источника возбуждения. Для регистрации сигнала использовали детектор FL-1073 на основе фотоумножителя R928P, работающий в режиме счета единичных фотонов при комнатной температуре. Перед регистрацией воздушно-сухие образцы прессовали в таблетку массой 150 мг. Образец размещали в держателе под углом 35° по отношению к возбуждающему лучу, чтобы избежать влияния отраженного света. Спектральная ширина щелей монохроматоров возбуждения и эмиссии составляла 2 нм. Спектры флуоресценции образцов древесины осины получены для λ _возб 360 нм и 400 нм. Интегрирование спектров проводили с помощью программного обеспечения Opus 6.0 (Bruker).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Озонирование. На рис. 1а приведена серия кинетических кривых удельного поглощения озона при обработке древесины осины. Из рисунка видно, что, по существу, кривые соответствуют разным участкам одной кинетической кривой, описывающей процесс поглощения озона. Эта особенность характерна для кинетических кривых поглощения озона при озонировании биомассы в оптимуме содержания воды [10, 14, 16, 17]. Точками отмечены значения удельного озона (Q_r), соответствующие окончанию обработки озоном. Скорость поглощения озона (определяемая по наклону касательной к кривой поглощения) в области Q_r 0–1.5 ммоль/г максимальна; в ходе озонирования заметно уменьшается, так как в реакцию постепенно включаются менее реакционно-способные группы.

В табл. 1 приведены значения Q_r и степени превращения озона для образцов, полученных при разной продолжительности озонирования. Степень превращения реагента (озона), соответствующая окончанию обработки, постепенно уменьшается от 70% (образец О1) до 20% (образец О6). Образцам О1 и О2 соответствует практически линейный участок кривых удельного поглощения озона рисунка 1 (продолжительность озонирования несколько минут), и, как показывают значения α, для них процесс озонирования наиболее эффективен. Образцам О5 и О6 соответствует область наименее эффективного поглощения озона.

Спектры КР. На рис. 2 представлены спектры КР исследованных образцов в области 200–1800 см^–1 и (рис. 2а) и в области валентных колебаний C–H-связей (рис. 2б). Интенсивность экспериментальных спектров нормирована к интенсивности полосы 1096 см^–1, как предлагает автор работы [20]. Спектры соответствуют известным из литературы данным по спектроскопии КР растительных материалов [20–23]. Полоса 1375 см^–1 (δC–H в R₃CH в ЦЛ [21], 1330 см^–1 (деформационные С_ар–OH или С_ар–O–CH₃ [21] в ЛГ, 1260 см^–1 (С_ар–O–CH₃ и С_aр–O ароматического кольца с С–О-группами, валентные С−О-колебания), 1096 см^–1 (νС–С, νС–О в ГЦ и ЦЛ), 920 см^–1 (δCH, C–C, C–O плоскостные валентные, деформационные колебания кольца [22, 23]). В спектре исходного образца (№ 1) присутствуют полосы скелетных колебаний ароматических колец (1600 см^–1) и 1662 см^–1 (ν_{С = С} в структурах типа кониферилового спирта [22, 23]). У образцов №№ О2–О6 интенсивности этих полос заметно уменьшаются (рис. 2а.), что наглядно демонстрирует разрушение ароматических ядер под действием озона.

По данным [20] для широкого круга видов биомассы значение I₁₆₀₀, нормированное к интенсивности полосы 1096 см^–1 (I₁₆₀₀/I₁₀₉₆) коррелирует с содержанием ЛГ, определенным по методу Класона, поэтому изменение значения (I₁₆₀₀/I₁₀₉₆) можно рассматривать как характеристику изменения содержания ЛГ. На рис 2в приведены значения (I/I⁰)₁₆₀₀.

У озонированных образцов (I/I⁰)₁₆₀₀ уменьшается с увеличением Q_r, причем наиболее заметно уменьшение при Q_r < 1.5 ммоль/г (рис. 2в). На рисунке приведена также кривая содержания ЛГ в озонированной древесине осины из работы [17]. Содержание ЛГ уменьшается от 25.3% (исходный образец) до 10% на г_а.с.д при Q_r ∼ 2.6 ммоль/г. Представленные зависимости указывают на то, что основной областью деструкции ЛГ является начальный участок кривой поглощения озона, где Q_r ≤ 1.5 ммоль/г, а значение α ≥ 50% (табл. 1, рис. 1).

На рис. 2г приведены значения доли деструктурированного озоном лигнина (ДЛГ*) в процентах (ДЛГ* = (1 – (I/I⁰)₁₆₀₀) × 100), определенное по интенсивности полосы 1600 см^–1 в спектре КР. Значение ДЛГ* возрастает, как и степень делигнификации древесины [17]. (Степень делигнификации (СД, %) – отношение количества деструктурированного лигнина к количеству ЛГ в исходном образце). Видно, что при одинаковых значениях удельного расхода озона СД возрастает до 55–60%, а значение ДЛГ* – до 58–65%. Причиной расхождения значений ДЛГ* и значений СД является тот факт, что методом спектроскопии КР информация получена непосредственно с поверхности частиц образца, где происходила деструкция ЛГ озоном, а степень делигнификации рассчитана из средних значений содержания ЛГ в образцах, полученных деструктивным методом [17].

На вставке рис. 2а приведены спектры КР некоторых образцов в области 1550–1700 см^–1. Видно, что, помимо полосы 1600 см^–1, у образцов О1 и О3 уменьшается интенсивность полосы 1620 см^–1, которую авторы работы [22] считают маркером колебаний С=О-групп, конъюгированных с ароматическим кольцом. Полоса 1662 см^–1, которая является маркером на α-, β-ненасыщенные связи в сопряжении с ароматическим кольцом [22], также уменьшается.

На рисунке 2б представлены спектры КР в области 2600–3200 см^–1, а на рис. 2в значения (I/I⁰)₂₈₉₉ и (I/I⁰)₂₉₃₇, нормированные к интенсивности полосы в спектре исходной древесины по аналогии с (I/I⁰)₁₆₀₀, представлены в зависимости от Q_r. Из рисунка 2б видно, что интенсивность полосы 3070 см^–1 (ν_С–Н ароматического кольца), как и полосы 2937 см^–1 (валентные С–Н-колебания в СН₃ и ОСН₃ [21, 23] группах ЛГ и ГЦ), у озонированных образцов уменьшается. Интенсивность полосы 2899 см^–1 (валентные С–Н-колебания целлюлозы) и полосы 2937 см^–1 по мере увеличения Q_r изменяется симбатно. Это наблюдается в той области значений Q_r, где интенсивность полос колебаний ароматических С–С-связей практически неизменна (рис. 2в).

Данные спектров КР показывают, что в области Q_r < 1.5 ммоль/г основной процесс – разрушение ароматических ядер, которое сопровождается деструкцией ГЦ, что было отмечено ранее при термическом анализе озонированной древесины осины [16]. По данным спектров КР деструкции ЦЛ не наблюдается.

УФ-спектры диффузного отражения. На рис. 3а представлены УФ-спектры диффузного отражения (ДО) для исходного образца (№ 1) и некоторых озонированных образцов, а на рисунке 3б эти же спектры приведены в единицах Кубелки–Мунка (F(R)). Функция Кубелки–Мунка представляет собой отношение коэффициента поглощения к коэффициенту рассеяния среды F(R) = = k/s = (1 – R)²/(2R).

Функция (F(R)) позволяет оценить поглощение бесконечно-толстого слоя образца при данной длине волны.

Из рисунков видно, что все исследованные ЛЦМ поглощают в широкой области спектра и характеризуются максимумом 280 нм. Спектр представляет совокупность многочисленных перекрывающихся полос поглощения, относящихся к разным структурам [3, 29]. Анализ УФ-спектров лигнинов и их структурных моделей, представленный в монографии [2], показал, что несопряженные фенольные (сирингильные, гваяцильные) структуры поглощают при 250, 295–300 нм; в области 295–305 нм и 350–360 нм поглощают α–β-двойные связи и α-карбонильные группы, сопряженные с фенольной структурой; в области 350–380 нм наблюдается поглощение стильбеновых структур [28]. Системы сопряжения кониферилового альдегида поглощают при 380–400 нм, а хиноидные и хинон-метидные структуры – в области 450–580 нм [2, 27].

Обработка озоном приводит к возрастанию отражения во всей области спектра, происходит “обесцвечивание” образца, интенсивность поглощения падает (рис. 3 а, б). На рис. 3в приведены значения F(R) для длин волн 280, 360 и 400 нм в спектре УФ-ДО ЛЦМ в зависимости от удельного поглощения озона. Значения F(R) при всех отмеченных длинах волн с увеличением Q_r уменьшаются, выходя на плато.

На рис. 3г приведены значения F(R), нормированные к значению F(R)⁰ для исходного образца (№ 1) при той же длине волны. Видно, что для полос поглощения 280 и 360 нм кривые зависимости F(R)/F(R)⁰ от Q_r близки, а значения F(R)/F(R)⁰ для озонированных образцов в области плато составляют 27–30% от исходного. Для полосы 400 нм значения F(R)₄₀₀/$F(R)_{{400}}^{0}$ у озонированных образцов составляет ∼40% от исходного значения. Приведенные данные показывают, что структуры, поглощающие в УФ-области спектра (при 280 и 360 нм), подверглись деструкции озоном в наибольшей степени.

Спектры флуоресценции. Спектры возбуждения флуоресценции (ФЛ) образцов древесины осины (рис. 4) характеризуются максимумом при 400 нм и идентичны для всех образцов, отличаясь лишь интенсивностью испускаемого излучения. Их очевидное отличие от спектров поглощения, имеющих характерный для замещенных фенолов максимум вблизи 280 нм (рис. 3б), обусловлено неоднородностью химической структуры лигнина. Наиболее интенсивная флуоресценция характерна для минорных структурных фрагментов макромолекулы, поглощающих электромагнитное излучение за счет присутствия значительных систем сопряженных двойных связей. К таким структурам можно отнести бифенильные группировки, некоторые фенилкумарановые и стильбеновые структуры [28], а также хинонметидные группировки. Последние дают поглощение в видимой области вблизи 500 нм и отвечают, по-видимому, за наличие небольшого плеча в области 490–550 нм [27].

Спектры флуоресценции образцов древесины рис. 5 практически полностью попадают в видимую область и характеризуются максимумом эмиссии при 444–452 и 476–481 нм при длинах волн возбуждающего излучения 360 и 400 нм, соответственно. Наблюдаемая зависимость положения полосы флуоресценции древесины от энергии падающего на ее поверхность излучения свидетельствует о наличии различных типов флуорофоров, селективно возбуждаемых излучением той или иной длины волны.

Подобный эффект, отмеченный в работе [26] при изучении структуры древесины тополя, противоречит концепциям, рассматривающим лигнин древесины как единый флуорофор, в котором энергия электронного возбуждения переносится по механизму Ферстера к структурам – акцепторам энергии с низко расположенными синглетными уровнями, переход с которых конкурирует с интеркомбинационной конверсией в триплетные уровни энергии [27–30].

Интенсивность ФЛ зависит от интенсивности поглощения возбуждающего излучения, поэтому нами получены приведенные значения (I_пр) интенсивности эмиссии, отнесенной к величине F(R) при λ_возб = 360 нм I_пр = I/(F(R)₃₆₀) и λ_возб = = 400 нм I_пр = I/(F(R)₄₀₀). Зависимости I_пр от удельного поглощения озона представлены на рис. 6а. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что значения I_пр для λ_возб = 400 нм выше для всей области Q_r.

Значения I_пр/$I_{{{\text{пр}}}}^{0}$ (I_пр, нормированные к $I_{{{\text{пр}}}}^{0}$ исходного образца № 1) позволяют адекватно оценить влияние обработки озоном на интенсивность флуоресценции ЛЦМ. Как показывает рис. 6, по сравнению с исходным образцом с увеличением Q_r I_пр/$I_{{{\text{пр}}}}^{0}$ возрастает почти в 9 раз для λ_возб 400 нм, и более, чем в 18 раз, возрастает для λ_возб 360 нм, постепенно выходя на плато (рис. 6б). Более заметное возрастание (I_пр/$I_{{{\text{пр}}}}^{0}$)₃₆₀, очевидно, вытекает из данных УФ-спектров, которые показали, что структуры с поглощением при 360 нм в большей степени подверглись деструкции озоном.

Возрастание интенсивности эмиссии образца древесины после обработки озоном является важнейшим наблюдаемым в наших экспериментах фактом. Учитывая, что флуоресценция связана с лигнинной составляющей древесины, наиболее подверженной воздействию озона, этот результат представляется несколько неожиданным. Он мог бы быть объяснен накоплением в структуре лигнина специфических флуорофоров, однако, каких-либо данных, свидетельствующих об образовании новых ароматических структур, устойчивых к действию O₃, не было получено. Таким образом, объяснение многократного усиления флуоресценции следует искать в свойствах лигнина, сохранившегося после обработки озоном.

Следует отметить, что при озонировании древесины образуется большое количество алифатических карбонильных и карбоксильных структур, отмеченных методом ИКС [17, 19]. Связанное с этим подкисление среды является важным фактором с точки зрения изменения интенсивности эмиссии вследствие смещения протолитических равновесий с участием фенольных структур лигнина в сторону неионизированных молекул. Поскольку интенсивность флуоресценции конкретного флуорофора определяется соотношением вероятностей излучательной и безызлучательной диссипации энергии электронного возбуждения, значительную роль играет окружение его молекулы [30, 31]. Разрушение лигноуглеводных ковалентных связей, а также и внутри- и межмолекулярных водородных связей в ходе озонирования, отмеченное в [14, 17–19], препятствует безызлучательной потере энергии в форме колебаний и усилению эмиссии электромагнитного излучения.

Альтернативным объяснением роста интенсивности ФЛ является снижение эффекта внутреннего фильтра со стороны удаляемого лигнина древесины, способного активно поглощать испускаемое излучение и, тем самым, по аналогии с концентрированными растворами флуорофоров, тушить флуоресценцию. В пользу последнего предположения свидетельствуют данные работ [24, 25], в которых отмечено возрастание интенсивности ФЛ при уменьшении содержания лигнина в ЛЦМ.

В любом случае, надежное установление роли отмеченных механизмов изменения интенсивности ФЛ в наблюдаемый брутто-эффект озонной обработки требует дальнейших исследований с применением современных методов исследования структуры лигнинов и находится за рамками настоящей работы. С практической точки зрения, изменения интенсивности ФЛ могут рассматриваться как важный параметр, характеризующий степень воздействия озона на ЛЦМ.

На рис. 7а представлена зависимость интенсивности ФЛ (I_пр/$I_{{{\text{пр}}}}^{0}$) от интенсивности (I/I⁰)₁₆₀₀ полосы 1600 см^–1 в спектре КР ЛЦМ. Так как значение (I/I⁰)₁₆₀₀ характеризует содержание ЛГ, то рисунок 7а представляет собой зависимость интенсивности ФЛ от содержания ЛГ в ЛЦМ. Для исходного образца (I/I⁰)₁₆₀₀ и (I_пр/$I_{{{\text{пр}}}}^{0}$) равны 1, по мере уменьшения (I/I⁰)₁₆₀₀ интенсивность ФЛ возрастает в несколько раз, причем для λ_возб 360 нм это возрастание втрое больше, чем для λ_возб 400 нм.

Значение ДЛГ* характеризует степень делигнификации ЛЦМ, поэтому зависимость рисунка 7б иллюстрирует связь между интенсивностью ФЛ и долей удаленного озоном лигнина (ДЛГ*). Интенсивность ФЛ возрастет в 9 раз (λ_возб 360 нм) и в 5 раз (λ_возб 400 нм), когда 40% лигнина разрушено. Это свидетельствует о том, что флуоресцентная спектроскопия может рассматриваться как один из наиболее чувствительных методов контроля озонолитической делигнификации древесины на ее начальных стадиях.

Результаты изучения процесса озонирования различными ЛЦМ, закономерности поглощения озона в зависимости от условий обработки озоном, от содержания воды в образце биомассы, определяющего размер доступной реагенту поверхности, – привели к выводу о том, что процесс контролируется внешне- и внутридиффузионными факторами [10, 15, 17]. Реакции озона осуществляются на поверхности пористой структуры ЛЦМ, доступной молекулам озона. В условиях, оптимальных для делигнификации древесины, в реакциях с лигнином биомассы, преимущественно, принимает участие молекулярный озон, растворенный в воде, присутствующей в пористой структуре биомассы [9, 10, 13, 17]. Молекулярный озон вступает в реакции электрофильного циклоприсоединения с последующим раскрытием ароматического кольца и образованием продуктов – алифатических кислот. Этот механизм (озонолиз) описан для модельных структур ЛГ; считают, что он реализуется при взаимодействии О₃ с ЛГ в структуре биомассы [9–15].

Озон является электрофильным агентом и взаимодействует преимущественно с функциональными группами и связями, характеризующимися высокой электронной плотностью [33]. Сопоставление активности органических соединений в реакциях с озоном, изучение кинетики реакций для некоторых из них, позволило установить, что наиболее активны непредельные структуры и стильбены; в ряду активности далее идут сирингильные, – гваяцильные структуры, – карбонилсодержащие и полиароматические соединения [3–8, 33]. Относительно медленно окисляются озоном алифатические связи [33].

В этой связи следует отметить, что данные работы, указывающие на преимущественное разрушение озоном структур ЛГ с поглощением в УФ-области, характерным для соединений, наиболее активных в реакциях с озоном, – ожидаемы, так как полностью соответствуют известным закономерностям активности органических соединений в реакциях с озоном.

Исследованные образцы ЛЦМ различаются значением Q_r, достигнутым при разной продолжительности озонирования, что позволяет рассмотреть поэтапную деструкцию биоматериала при обработке озоном. Данные работы показывают, что основные изменения в структуре ЛЦМ наблюдаются при поглощении первых ∼1.5 ммоль/г. Процесс поглощения озона идет с наибольшей скоростью, а степень превращения озона достаточно высока. Как показали спектры КР, на этом этапе происходит эффективное разрушение ЛГ, которое сопровождается и деструкцией гемицеллюлоз; окисление ЦЛ в этой области расходов озона не наблюдается. Поглощение озона на последующих этапах менее эффективно.

Для изучения превращений ЛЦМ в работе использованы недеструктивные методы исследования, дающие информацию о свойствах поверхности материала, часть которой модифицирована озоном. Отмечена высокая эффективность деструкции озоном сирингильных, фенилкумарановых, стильбеновых структур и других систем сопряженных двойных связей. Результаты изучения физико-химических свойств озонированных ЛЦМ с помощью методов спектроскопии комбинационного рассеяния, УФ- и флуоресцентной спектроскопии свидетельствуют о том, что обработка древесины озоном позволяет варьировать спектрально-люминесцентные характеристики ЛЦМ. Впервые показано, что флуоресцентная спектроскопия может рассматриваться как один из наиболее чувствительных методов контроля озонолитической делигнификации растительной биомассы.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП “Нанохимия и наноматериалы” при Химическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках госбюджетной темы: “Физикохимия поверхности, адсорбция и катализ” АААА-А21-121011990019-4 (Озонолитическая делигнификация ЛЦМ, УФ, спектроскопия КР) и Центра коллективного пользования научным оборудованием “Арктика” Северного (Арктического) Федерального университета имени М.В. Ломоносова в рамках проекта государственного задания № 121112300066-3 (Изучение люминесцентных характеристик древесины).