Получение и свойства интерполимерных комплексов, способных к структурообразованию почв

177

Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 2

УДК 541.64:631.4

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ИНТЕРПОЛИМЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ,

СПОСОБНЫХ К СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЮ ПОЧВ

Б. Х. Мусабаева, Д. К. Асержанов

Государственный университет им. Шакарима города Семей, Республика Казахстан

E-mail: kasymova-z@mail.ru

Поступила в Редакцию 31 августа 2018 г.

После доработки 22 ноября 2018 г.

Принята к публикации 29 ноября 2018 г.

Исследовано комплексообразование между биополимерами — катионным полиэлектролитом хитоза-

ном и анионным полиэлектролитом натрийкарбоксиметилцеллюлозой. Методами кондуктометрии,

ИК Фурье-спектроскопии установлен состав образующегося интерполимерного комплекса. Получен-

ный интерполимерный комплекс, а также исходные комплексообразующие полимеры были впервые

применены в качестве почвенных структурообразователей на урбаноземах. Обработка урбанозема

интерполимерным комплексом привела к агрегированию почвенных частиц и улучшению водопрони-

цаемости почвы.

Ключевые слова: интерполимерный комплекс, хитозан, натрийкарбоксиметилцеллюлоза, урбанозем,

водопроницаемость почвы, структурирование почвы.

DOI: 10.1134/S0044461819020063

В последние годы научный и прикладной интерес

Исследование этих вопросов имеет огромное как

представляет изучение межмолекулярных взаимо-

теоретическое, так и практическое значение и в ус-

действий химически комплементарных макромоле-

ловиях Республики Казахстан, где 4.95 млн га земель

кул с образованием интерполимерных комплексов

сельскохозяйственных угодий являются активными

(ИПК) нового поколения - эффективных структу-

очагами водной и 24.168 млн га ветровой эрозии

рообразователей почв и грунтов. ИПК способны в

почв [10]. Значительная часть этих земель неодно-

максимально короткие сроки (несколько часов с мо-

кратно подвергалась смыву и выдуванию, что при-

мента внесения) увеличить количество водопрочных

вело к сокращению не только пашни, но и пастбищ-

(>0.25 мм) и ветроустойчивых (>1 мм) агрономически

ных угодий. Преобладание ветровой эрозии связано,

ценных агрегатов в почве до оптимальных параме-

во-первых, с равнинным рельефом большей части

тров (более 55%) и тем самым оказывают разносто-

Казахстана, во-вторых, с частыми сильными ветрами

роннее воздействие на плодородие почвы: улучшают

и, в-третьих, с легким механическим составом почвы

водно-физические и химические свойства, усили-

(песчаным, супесчаным). В результате эрозионных

вают биологическую активность почв, повышают

процессов наблюдается ускоренная дегумификация

противоэрозионную стойкость почв, предотвращают

почв (ежегодная потеря гумуса составляет порядка

эрозионные процессы, что в конечном счете не только

1 т·га^-1) [11]. Однако в Республике Казахстан до на-

положительно сказывается на вегетации сельскохо-

стоящего времени недостаточно уделяют внимания

зяйственных культур и их урожайности, но и явля-

оптимизации физических условий плодородия почв,

ется лимитирующим фактором для успешного при-

в том числе и при помощи искусственных струк-

менения агрохимических, мелиоративных и других

турообразователей. Экспериментальные данные по

почвоулучшающих мероприятий [1-6]. Обусловлено

восстановлению оптимальной водопрочной и ветро-

это сочетанием уникальных физико-химических, кол-

устойчивой структуры почв при помощи ИПК прак-

лоидных и механических свойств ИПК [5, 7-9].

тически отсутствуют.

178

Касымова Ж. С. и др.

При создании ИПК для решения экологических

Целью настоящего исследования являлась раз-

проблем рассматриваются биосовместимые с жи-

работка метода получения ИПК с высокими показа-

выми тканями, биоинертные, биоразлагаемые при-

телями физико-механических свойств и структуро-

родные полимеры [12-18]. К числу перспективных,

образующих способностей из природных полисаха-

в частности, относятся рассматриваемые в данной

ридов ХТЗ и Na-КМЦ для освоения приемов направ-

работе природные полисахариды хитозан (ХТЗ) и

ленного структурирования почв в условиях опусты-

натрийкарбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ) [18, 19].

нивания.

Существуют определенные технологические преи-

мущества, способствующие освоению приведенных

Экспериментальная часть

полимеров в промышленности: наличие распростра-

ненной и ежегодно возобновляемой сырьевой базы,

В соответствии с поставленной целью в работе в

дешевизна и доступность производства [18, 20, 21].

качестве комплексообразующих полимеров исполь-

В то же время методы синтеза и физико-химические

зовали образцы химически чистых реактивов ХТЗ

свойства ИПК, включающих указанные полимеры, до

с молекулярной массой ММ = 500 кДа, степенью

сих пор мало изучены.

деацетилирования СД 80% и Na-КМЦ с молекуляр-

Получение и исследование ИПК на основе биопо-

ной массой M_w ~ 250 000, степенью замещения 0.7

лимеров ХТЗ и Na-КМЦ невозможно без характери-

(поставки производства Sigma-Aldrich, США). Синтез

стики каждого из компонентов в отдельности.

ИПК осуществляли путем смешивания модельных

Биополимер ХТЗ (поли β-1,4-2-дезокси-2-ами-

эквимолярных растворов ХТЗ с концентрацией по-

но-D-глюкопираноза) — продукт деацетилирования

лимера 0.01 моль·л^-1 в 0.1 М растворе хлороводород-

природного полисахарида хитина. Известно [21, 22],

ной кислоты с 0.01 М водным раствором Na-КМЦ в

что наличие аминогрупп обусловливает поведение

объемных соотношениях [ХТЗ]:[Na-КМЦ] = 90:10,

ХТЗ в растворе как полиэлектролита катионного ти-

80:20, 70:30, 60:40, 50:50, 40:60, 30:70, 20:80, 10:90

па, ХТЗ обладает рН-зависимой растворимостью

при температуре 298 K. Полученную реакционную

(способностью легко растворяться в кислых сре-

смесь интенсивно перемешивали на шейкере (модель

дах и не растворяться в нейтральных и щелочных).

LS 110, LOIP, Россия) в течение 1 ч при скорости

Характерным свойством ХТЗ является способность

150 об·мин^-1 и выдерживали в течение 1 сут при ком-

его функциональных амино- и гидроксогрупп к об-

натной температуре, после чего центрифугировали

разованию внутримолекулярных и межмолекулярных

15 мин при 3500 об·мин^-1 и отделяли осадок ИПК.

водородных связей, стабилизирующих различные

После отмывания ИПК дистиллированной водой ко-

конформационные состояния макромолекул ХТЗ в

нечный продукт подвергали лиофилизации (FreeZone,

растворе — от глобулы до вытянутой цепи [21, 23, 24].

Labconco, США).

Na-КМЦ — натриевая соль карбокси-

Для изучения процесса комплексообразования,

метилцеллюлозы с химической формулой

химического состава и физико-механических свойств

[C₆H₇O₂(OH)3-x(OCH₂COONa)_x]_n, где х = 0.08-1.5,

ИПК использовались общепринятые стандартные и

n = 370-2950, производное целлюлозы, в которой

специализированные методы исследования полимер-

карбоксиметильная группа (-CH₂COOH) соединяется

ных систем [9].

с гидроксильными группами глюкозных мономеров и

Закономерности образования и состав образую-

в водных растворах обладает свойствами полианиона.

щихся ИПК устанавливали кондуктометрическим

На свойства полиэлектролита влияет молекулярная

методом с использованием кондуктометра S230 Seven

масса и степень замещения в макромолекулярной

Compact Mettler Toledo (Швейцария).

цепи гидроксильных групп карбоксиметильными.

Структуру полученных ИПК устанавливали мето-

Na-КМЦ способна формировать вязкий коллоидный

дом ИК спектроскопии. ИК спектры регистрировали

раствор, длительное время не утрачивающий своих

на приборе ИК Фурье-спектрометре Carry 660 Agilent

свойств.

(США), снабженном ATR-приставкой, в области от

Таким образом, ХТЗ и Na-КМЦ благодаря широ-

400 до 4000 см^-1.

кому набору активных функциональных групп кати-

Размеры и заряд частиц ИПК определяли методом

онного и анионного характера обеспечивают возмож-

динамического лазерного светорассеяния на приборе

ность образования между полимерами ион-ионных

Zetasizer Nano ZS 90 (Malvern, Великобритания).

связей различной прочности, что создает предпо-

Исследование реологических свойств растворов

сылки для регулирования активности и стабильности

синтезированных ИПК проводили на ротационном

ИПК.

вискозиметре RheolabQC, AntonPaar (Австрия) с ра-

Получение и свойства интерполимерных комплексов, способных к структурообразованию почв

179

бочим узлом цилиндр-цилиндр в интервале напря-

жений сдвига 3-600 Па и скоростей сдвига от 1 до

100 с^-1 при комнатной температуре;

где q_w — водопроницаемость (или скорость потока)

Изучение механических характеристик пленок

(мм·мин^-1) при данной температуре, Q — количество

из индивидуальных полимеров, ИПК систем на их

просачивающейся воды (см³), 10 — пересчет см³ в мм

основе и почвенных структураторов проводили при

водного столба, S — площадь сечения трубки (см²),

комнатной температуре на приборе TAXT plus Texture

T — время (мин).

analyzer (Stable MicroSystems, Великобритания) в

Скорость потока за первый час сравнивали с оце-

режиме сжатия с использованием P/5S со скоро-

ночной шкалой Н. А. Качинского [28].

стью 0.1 мм·с^-1. Для получения пленок исходные

Полученные данные по водопроницаемости после

полимеры и смеси ИПК выливали на полимерную

насыщения почвы водой использовались для расчета

подложку и испаряли при комнатной температуре

коэффициента фильтрации [29, 30]:

и нормальном атмосферном давлении до воздуш-

но-сухого состояния [25]. Для получения почвенных

структураторов использовался способ последова-

тельного опрыскивания почвы растворами индиви-

дуальных полимеров. В качестве модельной почвы

где K_ф — коэффициент фильтрации (мм·мин^-1), q_w —

был выбран образец верхнего слоя урбанозема до

водопроницаемость (или скорость потока) (мм·мин^-1)

глубины 0-20 см, который после высушивания до

при данной температуре, h_l — постоянно поддержи-

воздушно-сухой массы и просева через сито 0.25 мм

ваемый слой воды на поверхности почвы (см), l —

был помещен в чашку Петри. Полученные полимер-

высота слоя почвы в трубке (см).

ные пленки и почвенные структураты фиксировали

Для приведения коэффициента фильтрации K_ф,

на предметном столике прибора и регистрировали

полученного в лабораторных условиях при комнатной

диаграмму сжатия образца, в результате определяли

температуре к стандартной величине, использовалась

величины модуля упругости по тангенсу угла наклона

температурная поправка Хазена [28], позволяющая

начального прямолинейного участка кривой сжатия

сравнить результаты с оценочной шкалой Н. А. Ка-

σ = ƒ(ε) [26].

чинского:

Для агроэкологической оценки структурности

почвы с целью оптимизации ее водоудерживающей

способности и устойчивости к дефляции и водной

эрозии проведены лабораторные опыты по изучению

где K₁₀ — коэффициент фильтрации, приведенный к

влияния раздельного внесения индивидуальных по-

температуре +10°С (мм·мин^-1); K_t — коэффициент

лимеров и ИПК на их основе на водопроницаемость

фильтрации, найденный в опыте при температуре

урбаноземов по следующей схеме:

воды t; t — температура.

1. Почва, не обработанная исходными полимерами

Для проведения лабораторных опытов по искус-

и ИПК на их основе (контроль).

ственному структурированию почвы были отобраны

2. Почва, обработанная 0.01 М ХТЗ.

образцы почв в шести точках по ул. Би-Боранбая

3. Почва, обработанная 0.01 М Na-КМЦ.

г. Семей Восточно-Казахстанской области. Терри-

4. Почва, обработанная ИПК состава [ХТЗ]:

тория отбора проб находится в оживленной транс-

:[Na-КМЦ] = 30:70.

портной зоне с интенсивностью транспортного

Определение водопроницаемости почвы проводи-

потока 1140 ед·ч^-1. Точечные пробы отбирали на

ли в прозрачных стеклянных трубках диаметром 4 см,

расстоянии 5 м от дорожного покрытия с участков

наполненных до высоты 20 см изучаемой почвой.

размером 1 м², не покрытых газоном, из слоя по-

Поддерживался постоянный напор воды в 5 см. Учет

чвы 0-20 см методом конверта. Отбор почвенных

впитавшейся (профильтровавшейся) воды прово-

образцов осуществляли согласно общепринятой в

дился в течение 1 ч через каждые 5-10 мин, затем

почвоведении методике [31]. В лабораторных усло-

через большие промежутки времени до установления

виях проводилась первичная обработка почвенных

постоянного расхода воды через трубку. Кроме того,

образцов, их пробоподготовка к агрохимическому

фиксировалось время падения первой капли.

анализу. В почвенных образцах определены основные

Водопроницаемость почвы за каждый промежуток

агрохимические показатели по соответствующим

времени (за каждые 5, 10 мин и первый час наблюде-

методикам: гранулометрический состав — методом

ний) рассчитывали по формуле [27]

Качинского, активная кислотность (рН_водн) и обмен-

180

Касымова Ж. С. и др.

ная кислотность (рН

) — потенциометрическим

доказательства их наличия, а не присутствия механи-

сол

методом с использованием рН метра рН-150МИ

ческой смеси исходных полимеров.

(Россия) [32], валовый углерод органического ве-

Как известно, ИПК являются продуктами реакции

щества — методом И. В. Тюрина в модификации

взаимодействия химически комплементарных поли-

В. Н. Симакова [33], подвижный фосфор — методом

меров. Комплементарными называются разнородные

Кирсанова, гидролитическая кислотность (H_г) —

макромолекулы, содержащие функциональные груп-

методом Каппена, сумма поглощенных оснований

пы, способные к специфическим взаимодействиям,

(S) — методом Каппена-Гильковица [34, 35].

а геометрическое строение цепей не создает пре-

Все исследования проводили в трехкратной по-

пятствий для возникновения достаточно большого

вторности. Вариационный статистический анализ

числа межмолекулярных связей. Это могут быть во-

полученных данных проводился с помощью програм-

дородные связи, электростатические, ион-дипольные,

мы Excel. Достоверность разницы определялась по

ван-дер-ваальсовые и гидрофобные взаимодействия.

параметрическим и непараметрическим показателям

Функциональные группы, участвующие в реакции

в зависимости от результатов проверки выборки на

ИПК, могут располагаться как в основной цепи, так

нормальность.

и в боковых группах, а также на поверхности глобу-

лярных и других частиц [36].

В нашем случае исходные комплексообразую-

Обсуждение результатов

щие полиэлектролиты содержат ионогенные группы

В настоящей работе ИПК на основе ХТЗ и

(слабое полиоснование ХТЗ — первичные, вторич-

Na-КМЦ, а также исходные комплексообразующие

ные и третичные аминогруппы, соль слабой поли-

полимеры были впервые применены в качестве поч-

кислоты Na-КМЦ — метилкарбоксильную группу).

венных структурообразователей на урбаноземах.

Образование ИПК возможно в водных растворах по-

В связи с этим необходимо было в первую очередь

средством связывания противоионов при ионизации

методом смешения растворов индивидуальных поли-

их реакционноспособных функциональных групп.

меров изучить особенности комплексообразования,

Структурные формулы хитозана (слева) и натрий-

а именно состав и структуру полученных ИПК, т. е.

карбоксиметилцеллюлозы (справа) приведены ниже:

Были исследованы фазовое состояние и особенно-

блюдается гидрофобизация данного участка, так и с

сти межмолекулярного взаимодействия в смесях 0.01

неупорядоченной структурой, когда ионные группы

МХТЗ в 0.1 М HCl и 0.01 М водного раствора Na-КМЦ.

не связаны между собой. Посредством гидрофобных

Формирующийся непосредственно после смеше-

взаимодействий происходит агрегация вторичных

ния растворов полиэлектролитов случайный пер-

комплексов в надмолекулярную структуру, приво-

вичный комплекс неравновесен и нерегулярен, ме-

дящую к энергетически более благоприятному и

нее плотно упакован и имеет значительно больший

стабильному состоянию, поэтому конечные агрега-

свободный объем. В результате внутрикомплексной

ты ИПК часто нерастворимы в воде. Схематически

перестройки первичный комплекс переходит в более

процесс комплексообразования можно представить

упорядоченный вторичный комплекс. При этом про-

следующим образом: смешение (полиоснование +

исходит образование новых связей или исправление

+ поликислота) → первичный комплекс → изменение

дефектов конформации первичного комплекса [37].

конформации первичного комплекса → вторичный

Образованные вторичные комплексы могут иметь

комплекс → агрегация вторичного комплекса → об-

в цепи одновременно участки как с упорядоченной

разование ИПК [38].

структурой, когда противоположно заряженные ион-

Визуальным свидетельством комплексообразова-

ные группы находятся в прочной взаимосвязи и на- ния ХТЗ и Na-КМЦ является образование осадка, не-

Получение и свойства интерполимерных комплексов, способных к структурообразованию почв

181

растворимого в воде и кислых растворах (рН 4.5-5.5).

почву нестехиометрического состава в отличие от

Полученные осадки ИПК представляли собой белую

обычного способа окомкования, когда гидрофобные

гелеобразную массу без запаха, стабильную при цен-

частицы комплекса удерживаются в комке почвенно-

трифугировании, максимальная масса осадка была

го материала исключительно за счет механического

установлена для состава ИПК 30:70 (рис. 1).

воздействия, несвязанные функциональные группы

Результаты кондуктометрического и ИК спектро-

ИПК дополнительно обеспечивают сцепление частиц

скопического исследований процесса комплексообра-

различной природы на его поверхности. При этом

зования в системе ХТЗ-Na-КМЦ для изучаемых объ-

обеспечиваются высокие прочностные свойства по-

емных соотношений представлены на рис. 2.

лучаемых комков материала.

Как видно из рис. 2, а, кривая кондуктометри-

Формирование ИПК при взаимодействии ХТЗ

ческого исследования имеет ярко выраженный пе-

и Na-КМЦ подтверждено также методом ИК

региб при соотношении [ХТЗ]:[Na-КМЦ] = 30:70,

Фурье-спектроскопии в диапазоне 4000-400 см^-1.

что, согласно основам физико-химического анализа,

Получены ИК спектры ХТЗ, Na-КМЦ и ИПК на их

свидетельствует об образовании индивидуально-

основе (рис. 2-г). В области спектров между 3600 и

го соединения — ИПК состава [ХТЗ]:[Na-КМЦ] =

2800 см^-1 можно наблюдать характерные для полиса-

= 30:70. Выявленное объемное соотношение для вза-

харидов полосы поглощения: ν_О-Н (полоса поглоще-

имодействующей пары полиэлектролитов характе-

ния 3700-3000 см^-1), ν_С-Н (полоса поглощения 3000-

ризует формирование нестехиометрического ИПК.

2800 см^-1), ν_С=О (полоса поглощения 1800-1500 см^-1),

При смешивании растворов полиэлектролитов в

ν_NH2 (полоса поглощения 1600-1317 см^-1) [39-41].

определенных технологических условиях возможно

Наличие интенсивных колебаний полос поглощения

образование стабилизированных ионными, водород-

в интервале, характерном для амидных групп в струк-

ными и другими видами связей стехиометрических

туре полисахарида, свидетельствует о том, что исход-

и нестехиометрических ИПК, свойства которых мо-

ный ХТЗ имеет высокую степень деацетилирования

гут варьироваться в широких пределах [9, 18, 25].

[18]. Спектры ИПК объединяют полосы, связанные

Например, нестехиометрические ИПК, содержащие

с ХТЗ и Na-КМЦ. Основные изменения происходят

одновременно разнородные, как связанные, так и не

в области спектров полос поглощения NH₂-групп и

связанные между собой функциональные группы,

метилкарбоксильных групп, что свидетельствует об

позволяют создавать связующие добавки для оком-

их электростатическом взаимодействии при форми-

кования агломерационных материалов со свойствами,

ровании ИПК [41].

отличными от свойств применявшихся ранее исход-

Методом динамического лазерного светорассеяния

ных полимеров. При добавлении ИПК связующих в

был исследован ζ-потенциал синтезируемых ИПК для

всех изучаемых составов [ХТЗ]:[Na-КМЦ], который

характеризует степень адсорбции ионных групп вза-

имодействующих полиэлектролитов (рис. 3).

Как видно из рис. 3, при соотношении

[ХТЗ]:[Na-КМЦ] = 30:70 ζ-потенциал достигает нуле-

вого значения, т. е. в полученном ИПК положитель-

ный заряд аминогруппы ХТЗ полностью нейтрали-

зуется отрицательным зарядом метилкарбоксильной

группы Na-КМЦ, что, вероятно, связано с гидро-

фобным или электростатическим взаимодействием

макромолекул полисахаридов и свидетельствует о

кооперативном комплексообразовании. Как известно,

иногда при падении ζ-потенциала до нуля не все стол-

кновения частиц приводят к максимальной скорости

коагуляции. В нашем случае увеличение в смеси кол-

лоидного раствора количества полиэлектролита Na-

КМЦ и отрицательный ζ-потенциал увеличивают за-

ряд и притяжение противоионов, что в свою очередь

вызывает образование осадка ИПК с максимальным

Рис. 1. Массы влажных осадков ИПК различных соот-

радиусом частиц при соотношении [ХТЗ]:[Na-КМЦ]

ношений состава [ХТЗ]:[Na-КМЦ].

= 20:80 (рис. 3).

Получение и свойства интерполимерных комплексов, способных к структурообразованию почв

183

Рис. 3. ζ-потенциал и диаметр частиц ИПК различного состава [ХТЗ]:[Na-КМЦ].

Были исследованы реологические свойства сме-

натной температуре для исходных полиэлектролитов

сей ИПК [ХТЗ]:[Na-КМЦ]. Изучение реологических

и оптимального состава ИПК [ХТЗ]:[Na-КМЦ] со-

свойств водных растворов ИПК весьма информа-

ставляло 3 сут. Механические характеристики сфор-

тивно, поскольку именно реологические свойства

мованных пленок приведены в табл. 1 и почвенных

чувствительны к изменениям молекулярной структу-

структураторов — на рис. 5.

ры полимеров полисахаридов и их комплексов [42].

Как видно из данных табл. 1 и рис. 5, модуль упру-

Реологическое поведение полимерных систем опре-

гости пленки ИПК превышает прочность пленки из

деляется механизмом их формирования, для которо-

ХТЗ, а модуль упругости почвенных структураторов,

го особое значение имеет природа, расположение и

обработанных ИПК, выше прочности почвенных

взаимодействие функциональных групп полимерной

структураторов, обработанных индивидуальными

матрицы.

полимерами, что показывает вклад кооперативных

Как видно из рис. 4, наиболее высокая величина

взаимодействий в стабилизацию структуры ИПК.

напряжения сдвига установлена в растворе комплек-

Таким образом, можно заключить, что использо-

са состава 30:70 и определяется высокой степенью

вание ИПК на основе системы ХТЗ-Na-КМЦ в каче-

сцепления разветвленных структур и высокой интен-

стве структурирующих агентов почв, подверженных

сивностью межмолекулярных взаимодействий исход-

опустыниванию, представляет практический интерес.

ных полимеров [9], что соответственно приводит к

уменьшению размеров ассоциатов ИПК и их прочности.

Таким образом, в результате проведенных ком-

плексных физико-химических исследований установ-

лено, что при взаимодействии биополимеров ХТЗ и

Na-КМЦ происходит комплексообразование с опти-

мальным вариантом состава композиции ИПК 30:70.

На основе изученных исходных полимеров и опти-

мального варианта ИПК системы из водных раство-

ров были изготовлены пленочные материалы и про-

ведена оценка механических свойств их образцов в

воздушно-сухом состоянии. Механическая прочность

является важной характеристикой ИПК, так как они

должны переносить различные нагрузки и сохранять

целостность структуры в качестве структурообразо-

вателей почвы.

Пленкообразование на полимерной подложке и

Рис. 4. Зависимость напряжения сдвига от соотношения

формирование почвенных структураторов при ком-

[ХТЗ]:[Na-КМЦ].

184

Касымова Ж. С. и др.

Таблица 1

Механические характеристики пленок из хитозана,

натрийкарбоксиметилцеллюлозы и ИПК на их

основе

Состав пленки

Модуль упругости, Па

Na-КМЦ

1.28 ± 0.34

ХТЗ

0.26 ± 0.08

ИПК [ХТЗ]:[Na-КМЦ]= 30:70

0.5 ± 0.1

Применение ИПК для улучшения структуры по-

чвы связано с его влиянием на водно-физические

свойства почвы. К таким свойствам в первую очередь

Рис. 5. Исследование механической прочности почвен-

ных структураторов.

относится водопроницаемость, определяющая опти-

мальный запас воды для растений и интенсивность

процессов эрозии. Оптимизация водопроницаемости

(не менее 4% гумуса) связано с загрязнением верх-

особенно актуальна для городских почв — урбанозе-

них горизонтов урбанозема органополлютантами от

мов, нижние слои которых под влиянием строитель-

автотранспорта, частицами сажи и пыли от битум-

ных работ и автотранспорта, промышленных выбро-

но-асфальтовых смесей. В целом поверхностные слои

сов сильно уплотняются, а верхние — распыляются,

урбанозема значительно нарушены и претерпели сни-

обесструктуриваются [43, 44]. Следует отметить, что

жение плодородия: нарушение структуры, ухудшение

при этом профиль почв нарушен настолько, что отне-

аэрации, водно-физических свойств, отсутствие нако-

сение городских почв к определенному почвенному

пления жизненно важных питательных элементов, за-

типу правомерно лишь по генезису.

крепление загрязнителей, поступающих с выбросами

В табл. 2 представлены результаты исследования

автотранспорта и промышленных предприятий.

основных агрохимических показателей исследуемого

Была исследована водопроницаемость урбанозема

урбанозема, сформированного на светло-каштановой

до и после обработки исходными полимерами и ИПК

почве.

на их основе (табл. 3).

Полученные данные свидетельствуют о том, что

Процесс водопроницаемости включает две стадии:

верхние горизонты исследованного урбанозема, рас-

быстрое впитывание свободной воды в ненасыщен-

положенного вдоль автодороги, характеризовались

ную влагой почву — влагопроводность; медленное

песчаным механическим составом, нормальным со-

и стабильное движение воды в почве, поры которой

держанием органического вещества и гумуса, ще-

полностью заполнены водой, — фильтрацию. В нашем

лочной реакцией среды [45], очень низким содер-

опыте средняя водопроницаемость зафиксирована

жанием подвижного фосфора, высоким значением

в 3-м варианте, в остальных вариантах — хорошая

суммы поглощенных оснований. Подщелачивание

водопроницаемость. Таким образом, урбанозем после

почвы и высокое содержание поглощенных основа-

обработки 0.01 М Na-КМЦ приобрел тонкопористую

ний обусловлено большим количеством поступаю-

и плотную структуру, и его водопроницаемость сни-

щей с автодороги пыли, содержащей карбонаты каль-

зилась. При слабой водопроницаемости часть воды

ция и магния, а также разбрызгиванием калийных

стекает по поверхности, что приводит к вымоканию и

солей в зимний период для борьбы с гололедицей.

смыву почвенной поверхности и непродуктивному рас-

Достаточное содержание органического вещества

ходу влаги. Обработка урбанозема 0.01 М ХТЗ и ИПК

Таблица 2

Агрохимические показатели поверхностных горизонтов (0-20 см) урбанозема

г. Семей Восточно-Казахстанской области

с_орг, %

рН_водн

рН_сол

Н_г, мг-экв/100 г

Р₂О₅, мг/100 г

S, мг-экв/100 г

3.68

8.11

7.92

3.67

2.018

60.48

Получение и свойства интерполимерных комплексов, способных к структурообразованию почв

185

Таблица 3

Водопроницаемость урбанозема до и после обработки исходными полимерами и ИПК на их основе

Показатели водопроницаемости,

мм·мин^-1

Вариант опыта

Разновидность по шкале [28, 46]

q_w

K_ф

K₁₀

1 — почва без внесения исходных полиме-

2.40

1.92

1.32

Водопроницаемая (хорошая)

ров и ИПК (контроль)

2 — почва, обработанная 0.01 М ХТЗ

6.67

5.34

3.68

Сильно водопроницаемая (наи-

лучшая)

3 — почва, обработанная 0.01 М Na-КМЦ

2.00

1.60

1.10

Водопроницаемая (удовлетво-

рительная)

4 — почва, обработанная ИПК состава

2.83

2.26

1.56

Водопроницаемая (хорошая)

[ХТЗ]:[ Na-КМЦ] = 30:70

состава [ХТЗ]:[ Na-КМЦ] = 30:70 улучшила водопро-

гии предотвращения опустынивания земель на основе

ницаемость почвы, что свидетельствует о ее крупнопо-

интерполимерных комплексов».

ристой структуре и агрегировании почвенных частиц,

повышающих устойчивость к эрозии почвы и созда-

Список литературы

ющих хороший запас воды в корнеобитаемом слое.

[1] Карабанова В. Б., Рогачева В. Б., Зезин А. Б., Ка-

банов В. А. // Высокомолекуляр. соединения. 1995.

Выводы

Т. 37А. № 11. С. 1861-1867.

Исследовано образование интерполимерного

[2] Лезов А. В., Мельникова А. В., Коломиец И. П.,

комплекса при взаимодействии двух биополимеров

Рюмцев Е. И., Бакеев К. Н., Ян Мин Шу, Зе-

хитозана и натрийкарбоксиметилцеллюлозы, стаби-

зин А. Б., Макнайт В. Дж., Кабанов В. А. //

лизация которого происходит в результате ион-ион-

Высокомолекуляр. соединения. 1995. Т. 37А. № 11.

ных связей между макромолекулами. В отличие от

С. 1904-1909.

[3] Коробко Т. А., Изумрудов В. А., Зезин А. Б. //

исходных полимеров полученный интерполимерный

Высокомолекуляр. соединения. 1993. Т. 33А. № 1.

комплекс нерастворим в воде и слабокислых раство-

С. 87-92.

рах (рН 4.5-5.5).

[4] Мухамедов Г. И. Интерполимерные комплексы на

Объемное соотношение для взаимодействующей

основе аминосодержащих мочевиноформальде-

пары полиэлектролитов, характеризующее форми-

гидных олигомеров и полимеров и их применение:

рование нестехиометрического интерполимерного

Автореф. докт. дис. Ташкент, 1991. 45 с.

комплекса, составляет 30:70. При этом полученный

[5] Кабанов В. А., Зезин А. Б., Касаикин В. А., Яро-

интерполимерный комплекс имеет максимальную

славов А. А., Топчиев Д. А. // Успехи химии. 1991.

массу осадка, нулевой дзета-потенциал, наиболее

Т. 60. Вып. 3. С. 595-601 [Kabanov V. A., Zezin A. B.,

высокую величину напряжения сдвига, небольшой

Kasaikin V. A., Yaroslavov A. A., Topchiev D. A. //

диаметр частиц в сравнении с другими вариантами

Russ. Chem. Rev. 1991. V. 60. N 3. P. 288-291].

состава композиции из исходных полимеров.

[6] Алдошина И. В., Зансохова М. Ф., Рогачева В. Б.,

Обработка урбанозема интерполимерным ком-

Зезин А. Б., Кабанов В. А. // Высокомолекуляр.

соединения. 1990. Т. 32А. № 4. С. 776-783.

плексом состава [ХТЗ]:[ Na-КМЦ] = 30:70 повысила

[7] Хафизов М. М. // Высокомолекуляр. соединения.

механическую прочность почвенных структураторов

2001. Т. 43Б. № 5. С. 915-919 [Khafizov M. M. //

и улучшила водопроницаемость почвы, что свиде-

Polym. Sci. Ser. B. 2001. V. 43. N 5-6. P. 140-143].

тельствует об агрегировании почвенных частиц и

[8] Федосеева Е. Н., Смирнова Л. А., Федосеев В. Б. //

крупнопористой структуре, повышающих устойчи-

Вестн. Нижегород. ун-та им. Н. И. Лобачева. 2008.

вость почвы к водной и ветровой эрозии и создающих

№ 4. С. 59-64.

хороший запас воды в корнеобитаемом слое.

[9] Кабанов В. А. // Успехи химии. 2005. № 74 (1).

Работа выполнена в рамках грантового финанси-

С. 5-23 [Kabanov V. A. // Russ. Chem. Rev. 2005.

рования МОН РК, АР05134681 «Разработка техноло-

V. 74. N 1. P. 3-20].

186

Касымова Ж. С. и др.

[10] Экологические индикаторы мониторинга и оцен-

[26] Бузинова Д. А., Абрамов А. Ю., Шиповская А. Б.

ки окружающей среды. Е. Земельные ресур-

// Изв. Саратов. ун-та. Сер. Химия. Биология.

сы. 22. Районы, подверженные эрозии почв.

Экология. 2011. Т. 11. Вып. 2. С. 31-38.

URL: http://stat.gov.kz/faces/homePage/eco-

[27] Кулагина В. И., Григорьян Б. Р., Грачев А. Н.,

log?_afrLoop=365426874273334#%40%3F_afr-

Рязанов С. С. // Вестн. технол. ун-та. 2017. Т. 20.

Loop%3D365426874273334%26_adf.ctrl-state%3-

№ 11. С. 129-133.

Dmaguaqm3d_92 (дата обращения: 25.07.2018).

[28] Качинский Н. А. Физика почвы. Ч. 2. Водно-

[11] Панин М. С. Экология Казахстана. Семипалатинск:

физические свойства и режимы почв. М.: Высш.

ТОО «Эверо», 2005. 547 с.

шк., 1970. 358 с.

[12] Rhazi M., Tolaimate J., Rinaudo M., Vottero P., Ala-

[29] Пузанов А. В., Бабошкина С. В., Рождествен-

gui A., Meray M. // Eur. Polym. J. 2002. V. 38. N 8.

ская Т. А., Балыкин С. Н. // Вестн. Алтай. гос.

P. 1523-1530.

аграр. ун-та. 2014. № 7 (117). С. 48-55.

[13] Riccardo A. A. // Carbohydr. Polym. 2009. N 77. P. 1-9.

[30] Шеин Е. В. Курс физики почв. М.: МГУ, 2005. 432 с.

[14] Kumari Rinki, Dutta P. K. // Int. J. Biol. Macromol.

[31] ГОСТ Р 53123-2008. Качество почвы. Отбор проб.

2010. N 46. P. 261-266.

Ч. 5. Руководство по изучению городских и про-

[15] Riccardo A. A. // Carbohydr. Polym. 2009. N 76.

мышленных участков на предмет загрязнения по-

P. 167-182.

чвы. М.: Стандартинформ, 2009. 28 с.

[16] Хитин и хитозан: получение, свойства и приме-

[32]

Громовик А. И., Йонко О. А. Современные ин-

нение / Под ред. К. Г. Скрябина, Г. А. Вихоревой,

струментальные методы в почвоведении. СПб:

В. П. Варламова. М.: Наука, 2002. 368 с.

Воронеж, 2010. 60 с.

[17] URL: http://www.cleandex.ru/articles/2015/10/01/

[33]

Новицкий М. В., Донских И. Н., Чернов Д. В. Лабо-

bioplastics_publication (дата обращения:

раторно-практические занятия по почвоведению.

25.07.2018).

СПб: Проспект Науки, 2009. 320 с.

[18] Краюхина М. А., Самойлова Н. А., Ямсков И. А.

[34]

Аринушкина Е. В. Руководство по химическому

// Успехи химии. 2008. № 77 (9). С. 854-869

анализу почвы. М.: МГУ, 1970. 487 с.

[Krayukhina M. A., Samoilova N. A., Yamskov I. A. //

[35]

Агрохимические методы исследования почв / Под

Russ. Chem. Rev. 2008. V. 77. N 9. P. 799-813].

ред. А. В. Соколова. М.: Наука, 1975. 656 с.

[19] Камская В. Е. // Науч. обозрение. Биол. науки.

[36]

Изумрудов В. А., Зезин А. Б., Кабанов В. А. //

2016. № 6. С. 36-42.

Успехи химии. 1991. Т. 60. Вып. 7. С. 1570-1595

[20] Гартман О. Р., Воробьева В. М. // Фармацевти-

[Izumrudov V. A., Zezin A. B., Kabanov V. A. // Russ.

ческие науки. 2013. № 6. С. 1188-1192.

Chem. Rev. 1991. V. 60. N 7. P. 792-806].

[21] Курченко В. П., Буга С. В., Петрашкевич Н. В.,

[37]

Бовальдинова К. А. Получение и свойства «умных»

Буткевич Т. В., Ветошкин А. А., Демченков Е. Л.,

чувствительных к давлению адгезивов на основе

Лодыгин А. Д., Зуева О. Ю., Варламов В. П., Боро-

интерполимерных комплексов: Автореф. канд. дис.

дин О. И. // Тр. БГУ. 2016. Т. 22. № 8. С. 110-126.

М., 2018. 20 с.

[22] Гамзааде А. И., Скляр А. М., Павлова С. А.,

[38]

Антипина А. Д., Паписов И. М., Кабанов В. А. //

Рогожин С. В. // Высокомолекуляр. соединения.

Высокомолекуляр. соединения. 1970. Т. 12. № 5.

1981. Т. 11А. Ч. 1. С. 594-597 [Gamzaade A. I.,

С. 329-331.

Sklyar A. M., Pavlova S. A., Rogozhin S. V. // Polym.

[39]

Kondo T. // Cellulose. 1997. N 4. P. 281-292.

Sci. USSR. 1981. V. 23. N 3. P. 665-669].

[40]

Liang C. Y., Marchessault R. H. // J. Polym. Sci. 1960.

[23] Погодина Н. В., Павлов Г. М., Бушин С. В.,

V. 43. P. 71-84.

Мельников А. Б., Лысенко Е. Б., Нудьга Л. А.,

[41]

Петропавловский Г. А. Гидрофильные частично

Маршева В. Н., Марченко Г. Н., Цветков В. Н.

замещенные эфиры целлюлозы и их модификация

// Высокомолекуляр. соединения. 1986. Т. 28A.

путем сшивания. Л.: Наука, 1988. 295 с.

№ 2. С. 232-239 [Pogodina N. V., Pavlov G. M., Bu-

[42]

Тураев А. С., Шомуратов Ш. А., Мухамеджа-

shin S. V., Mel′nikov A. B., Lysenko Y. B., Nud′ga L. A.,

нова М. Ю., Хайтметова С. Б., Ходжакова Д. А. //

Marsheva V. N., Marchenko G. N., Tsvetkov V. N. //

Химия раст. сырья. 2008. № 4. С. 35-40.

Polym. Sci. USSR. 1986. V. 28. N 2. P. 251-259].

[43]

Балацкий Д. В., Швецов А. Я. // Вестн. Алтай. гос.

[24] Погодина Н. В., Евлампиева Н. П., Хрусталев А. З.,

аграр. ун-та. 2003. № 4. С. 36-38.

Маршева В. Н., Марченко Г. Н., Цветков В. Н. //

[44]

Шорина Т. С., Попов А. В., Укенов Б. С. // Вестн.

Высокомолекуляр. соединения. 1986. Т. 28A. № 2.

Оренбург. гос. ун-та. 2013. № 6 (155). С. 134-137.

С. 240-244 [Pogodina N. V., Yevlampiyeva N. P.,

[45]

Добровольский В. В. // Развитие идей В. И. Вернад-

Khrustalev A. Z., Marsheva V. N., Marchenko G. N.,

ского в геологических науках. М.: Наука, 1999.

Tsvetkov V. N. // Polym. Sci. USSR. 1986. V. 28. N 2.

С. 86-96.

P. 260-265].

[46]

ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.:

[25] Инагамов С. Я., Каюмходжаев Ф. С., Абзалов А. А. //

Стандартинформ, 2013. 44 с.

Науч. обозрение. Биол. науки. 2017. № 2. С. 71-74.