Дипломная работа: Использование комплексов полиамфолита этиламнокротонатаакриловой кислоты с поверхностно-активными веществами для извлечения 90Sr
Дипломная работа: Использование комплексов полиамфолита этиламнокротонатаакриловой кислоты с поверхностно-активными веществами для извлечения 90Sr
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ШАКАРИМА
Факультет строительства и защиты окружающей среды
Кафедра химии и экспертизы
Допустить к защите в ГАК
Зав.кафедрой: к.х.н., доцент
___________ Яшкарова М.Г.
«____»____________2006 г.
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
Использование комплексов полиамфолита этиламнокротоната акриловой кислоты с поверхностно-активными веществами для извлечения 90Sr 6N0606, «Химия» специализация «Химия высокомолекулярных соединений»
Магистрант ________ Кабдыракова А.М.
Научный руководитель: д.х.н., профессор ___________ Бимендина Л.А..
Нормаконтролер: к.х.н., доцент ___________ Кабдукаримова К.К.
Республика Казахстан г. Семипалатинск, 2006 г.
РЕФЕРАТ
Диссертация изложена на 53 страницах машинописного текста и включает введение, три раздела основной части (обзор литературы, экспериментальную часть, результаты и их обсуждение), заключение, 2 таблицы, 11 рисунков, список использованных источников из 106 наименований, 2 приложений.
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕННЫХ СЛОВ
СИП – Семипалатинский испытательный полигон
ПА – полиамфолит
ПЭ – полиэлектролит
ПАВ – поверхностно-активные вещества
ЭАК/АК – этиламинокротонат/акриловая кислота
ЭАК – этиловый эфир аминокротоновой кислоты
АК – акриловая кислота
АУЭ – ацетоуксусный эфир
ЛСNa – лаурилсульфонат натрия
ЦПБ – цетилпиридиний бромид
ККМ – критическая концентрация мицеллообразования
ИПК – интерполимерный комплекс
ВРП – вводно-растворимые полимеры
ПЭК – полиэлектролитный комплекс
ППК – природные полимерные комплексы
ПЭГ – полиэтилен гликоль
ПДМДААХ – полидиметилдиаллиламмоний хлорид
90Sr - стронций-90
137Cs - цезий-137
239,240Pu - плутоний – 239,240
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. Комплексы функциональных полимеров с поверхностно-активными веществами
2. Применение полимерных композитов в качестве антидефляционных реагентов
3. Различные аспекты практического использования комплексов полимер ПАВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. Характеристика исходных веществ и растворителей
2. Синтез линейного полиамфолита
3. Методы исследования
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Физико-химические исследования сополимера ЭАК АК и его комплексов с поверхностно-активными веществами
2. Изучение возможности фиксации радионуклидов в поверхностном слое почвы применением комплекса полимер - ПАВ
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение 1
Приложение 2
ВВЕДЕНИЕ
Радиационная обстановка на территории бывшего Семипалатинского испытательного полигона (СИП), в основном, обусловлена проведением ядерных испытаний (подземными, наземными, воздушными) в течение длительного времени. Многочисленные испытания ядерных зарядов привели к радиоактивному загрязнению огромной территории, расширили сферу обитания искусственных радионуклидов и включили их в различные природные циклы: биохимический, гидрохимический, геохимический, атмосферный и пр. Перераспределение активности по поверхности земли на территории полигона и прилегающих к нему районов происходит по сей день. Сильные ветры, пыльные бури, степные пожары, характерные для СИП, способствуют миграции и переносу радиоактивных веществ вместе с частицами почвы на большие расстояния. В результате данная территория подвергается вторичному радиоактивному загрязнению почвенного покрова. В настоящее время пылевой и водный перенос являются основными путями миграции радионуклидов на СИП.
Наличие радиоактивного загрязнения влечет за собой проникновения радионуклидов по пищевым цепочкам и ингаляционным путем в организм человека. Поэтому в таких условиях необходимость разработки методов пылеподавления, предотвращающих ветровой и водный перенос радионуклидов и изучение возможности управления миграцией радионуклидов в почве является весьма актуальной. Это связано в первую очередь с предотвращением внешнего и внутреннего облучения людей в местах проведения ядерных испытаний и прилегающих к ним территориях, а также на территориях, загрязненных в результате аварий на предприятиях, производящих или использующих по роду своей деятельности радиоактивные материалы.
Обработка почвы антидефляционными композициями с целью пылеподавления зарекомендовала себя как полезное, более того необходимое звено в цепи мероприятий, направленных на предотвращение распространения радиоактивных загрязнений и снижения уровня вредных воздействий на человека. Как и для любого масштабного мероприятия, проводимого в окружающей среде, для пылеподавления наряду с оценкой эффективности необходимо изучение всей совокупности возможных экологических воздействий его применения. В частности, необходимо изучить влияние антидефляционной обработки почв на процессы фиксации и накопления в них радионуклидов.
Цели и задачи исследования. Целью работы является изучение возможности управления миграцией радионуклидов в почве с помощью применения комплексов полиамфолита этиламинокротоната/акриловой кислоты (ЭАК/АК) с поверхностно-активными веществами (ПАВ).
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- Синтез полиамфолита этиламинокротоната акриловой кислоты.
- Определение состава полиамфолита.
- Определение состава комплексов полиамфолит-ПАВ.
- Обработка почвы растворами комплексов и определение содержания радионуклидов по слоям обработанной почвы.
Новизна полученных результатов. Впервые изучено взаимодействие нового полиамфолита ЭАК/АК с ионогенными поверхностно-активными веществами (лаурилсульфонатом натрия (ЛСNa) – анионоактивный и цетилпиридиний бромидом (ЦПБ) – катионоактивный). Определены соотношения ЭАК/АК:ПАВ в момент комплексообразования.
Впервые для изучения направленной миграции (концентрирование радионуклидов в поверхностном слое почвы) и фиксации радионуклидов в почве были использованы комплексы полиамфолита ЭАК/АК с поверхностно-активными веществами.
Научно-практическая значимость. С теоретической точки зрения комплексы полиамфолитов-ПАВ интересны как модельные системы, изучение свойств и структуры которых позволяет глубже понять механизмы формирования и функционирования природных полимерных комплексов (ППК), образуемых биополимерами и биологически активными веществами дифильного строения, поскольку из всех известных синтетических веществ полиамфолиты ближе всего стоят к искусственным аналогам реальных биологических молекул.
С практической точки зрения исследования подобных систем представляют самостоятельный интерес в связи с широким диапазоном их применения: в качестве флокулянтов, в гидрометаллургии для концентрирования и выделения различных ионов металлов, коагулянтов структурообразователей почв для предотвращения почвенной эрозии и пылеподавления. В свою очередь, пылеподавление на радиоактивно загрязненных территориях, относится к мероприятиям, обеспечивающим предотвращение распространения радионуклидов в составе аэрозолей на «чистые» площади, их вторичное и многократное загрязнение.
Исследования, проводимые в ряде стран по изучению возможности предотвращения пылевого переноса радионуклидов, дают положительные результаты. Предварительные исследования показали, что существует также возможность перемещения радионуклидов в загрязненной почве к поверхности из более глубоких уровней залегания и фиксация их в достигнутом положении. Это может оказаться весьма важным при разработке экономически выгодных технологий утилизации радионуклидов, консервации, дезактивации и рекультивации почвы загрязненных участков территории СИП.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 работы, из них 3 статьи, 1 тезис доклада на международных и республиканских конференциях.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. Комплексы функциональных полимеров с поверхностно-активными веществами
1.1 Взаимодействие биополимеров с поверхностно-активными веществами.
В живой материи белки играют особую роль, так как они представляют собой один из незаменимых ее компонентов.
Установлено, что как химические и физические свойства, так и биохимические функции белка в большей степени определяется его конформацией [[1] [2] [3]]. Нативные формы белков и нуклеиновых кислот характеризуются чрезвычайно специфическими конформациями, которые сравнительно легко могут быть нарушены мягкими методами обработки. В результате происходят резкие изменения физических и химических свойств белка, протекающие однако, без изменения их ковалентных связей. Такие изменения объединены под общим названием «денатурация», представляет большой интерес, так как проявляют свет на силы, ответственные за сохранение макромолекул в их нативных конформациях, имеющих столь огромное значение для их биологических функций.
Денатурация белка может происходить в значительной мере также при взаимодействии на него различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). В связи с этим взаимодействие белков с ПАВ в водных растворах изучается давно.
В настоящее время представления о механизме комплексообразования в системе белок-ПАВ детализируется. Уже сравнительно давно было известно, что взаимодействия белков с ПАВ реализуется, в основном за счет гидрофобных и электростатических взаимодействий. Однако эти работы имеют феноменологичный характер и посвящены главным образом, определению количества связанного ПАВ для конкретного белка или установлению конформации белка в присутствии денатурирующего агента.
При значениях рН ниже изоэлектрической точки (ИЭТ) белка анионные детергенты электростатически связываются с катионными группами и приводят их к осаждению. При наличии избытка детергента количество его ионов, связанных с белком, возрастает и становится кратным числу, требующихся для нейтрализации катионных групп. Этот эффект объясняют связыванием с белком полимолекулярных мицелл детергента, а также взаимодействием парафиновых цепей детергента с неполярными группами белка. Так, реакция β-лактоглобулина с октилбензосульфонатом идет в три стадии. Сначала несколько молекул детергента связывается своим «хвостом», т.е. парафиновыми цепями, с гидрофобными группами белка. При добавлении большого количества детергента его молекулы связываются «головной частью», т.е. анионом сульфоната. На третьей же стадии образуются мицеллы. II и III стадии взаимодействия детергента с белком приводят к улучшению его растворимости в воде.
Катионные ПАВ вызывают осаждение белка в щелочной области рН, когда карбоксильные группы белка имеют максимальный отрицательный заряд.
Особенностью действия ПАВ на белки является то, что они оказывают денатурирующее действие при относительно низких концентрациях по сравнению с такими низкомолекулярными денатурирующими реагентами, как мочевина и солянокислый гуанидин.
В противоположность мочевине и сходными с ней веществам ПАВ не конкурируют с пептидными группами за образование водородных связей. Их влияние, следовательно должно ограничиться боковыми цепями, и физические изменения, индуцируемые ими в белках, в основном, обусловлены изменениями третичной структуры последних.
В показано, что структура белков с высоким содержанием спиралей обычно изменяется намного меньше под действием детергента, чем структура неспиральных белков. Установлено также, что связывание додецилсульфоната натрия (ДДС) рибонуклеазой (белок с низким содержанием спиралей) увеличивается после расщепления дисульфидной связи.
Для определения природы сил, обуславливающих образование комплекса белок – ПАВ, авторы работ изучали влияние ионной силы и рН раствора на адсорбцию ПАВ белками. Ими показано, что белки, независимо от их структуры, связывают одинаковое количество анионного ПАВ – ДДС. При концентрации водного раствора ПАВ менее 8*10-4 моль/л около десяти исследованных белков связывают 0,4 г детергента на 1 грамм белка, а при концентрациях детергента более 8*10-4 моль/л количество связанного детергента резко возрастает и составляет 1,44 г на 1 г белка
Также было замечено, что связывание ДДС не зависит от общей концентрации ПАВ в растворе, а обусловлено изменением концентрации его мономолекулярной фазы. Это позволило авторам этих работ сделать вывод о том, что белки способны связывать только мономерную форму детергента и не связывать мицеллы.
Как уже подчеркнуто, взаимодействия белков с поверхностно-активными веществами реализуются, в основном, за счет гидрофобных и электростатических взаимодействии .Отмечено, что характер взаимодействия и состав образующихся комплексов могут оказывать специфическое влияние различные факторы, в том числе соотношение концентрации белка и ПАВ, а также фазовое соотношение ПАВ (молекулярное или мицеллярное) в растворе.
В работе для выяснения влияния фазового состояния ПАВ на комплексообразование с белком проведено исследование изотерм связывания октилбензолсульфоната натрия альфа-химотрипсином из молекулярных и мицеллярных растворов ПАВ. Авторы показали, что насыщение белковой глобулы молекулами ПАВ, т.е. предельное связывание при относительно низких соотношениях ПАВ-белок, достигается для мицеллярного состояния гораздо раньше, чем для молекулярно дисперсного раствора. Объясняют это непосредственным взаимодействием мицеллы ПАВ с макромолекулами белка. Так как мицеллы ПАВ и глобулы белка представляют собой примерно одинаковое по размеру гидратированные частицы лиофильных дисперсных систем, то в этом случае авторы заключают, речь идет не об адсорбции, а об образовании смешанных ассоциатов, состоящих из мицелл и глобулы белка.
Отмечено, что на начальных стадиях взаимодействия определяющим является электростатическое взаимодействие. Локализация большого числа молекул ПАВ в близи макромолекулы белка обеспечивают быстрое и термодинамически наиболее выгодное взаимодействие молекул детергента с белком. Кооперативное возникновение мест связывания вызывает конформационный переход полипептидной цепи и возникновение смешанных мицелл, в состав которых входит полипептидная цепь с более рыхлой клубкообразной пространственной укладкой и мицеллы, связанные с боковыми группами полипептидной цепи за счет гидрофобных взаимодействий молекулы ПАВ. Более резкое увеличение степени связывания для мицеллярной системы свидетельствуют о небольшой кооперативности конформационного перехода альфа-химотрипсина при взаимодействии с мицеллами ПАВ, нежели с его молекулами.
Связывание малых количеств ПАВ белками, осуществляется, в основном, по гидрофобному механизму аналогично взаимодействию углеводородов с белками в водных растворах.
Действие же больших количеств ПАВ на белок аналогично денатурирующему действию рН. Сравнение дифференциальных спектров модельных смесей аминокислот, характеризующих содержание тирозина и триптофана в альфа-химотрипсине в присутствии ПАВ, и соответствующих спектров белка подтверждает вывод об образовании смешанных мицелл (белок-ПАВ) при больших степенях связывания детергента, т.к. при этом состояние хромофорных групп отвечает более неполярному окружению чем вода.
Конформационный аспект взаимодействия белков с ПАВ исследован, главным образом, на примере ДДС, в работах [8, 9]. При введении в раствор белка (гистоны, рибонуклеаза, трипсин и др.) наблюдается увеличение степени спиральности макромолекулы при одновременном понижении содержания неупорядоченной конформации. Так, Йиргенсонс [[4]], исследуя спиралеобразующую способность детергентов – децилсульфоната (ДС) и додецилсульфоната натрия (ДДС), показал, что добавление уже небольших количеств ПАВ к раствору белка вызывает осаждение последнего вследствие электростатического взаимодействия между положительно заряженными макромолекулами белка и отрицательно заряженными мицеллами ПАВ. В избытке детергента комплекс растворяется.
