Исследование группового состава торфов месторождений Томской области

Введение. Томская область, с богатейшими торфяными ресурсами, является мощной сырьевой базой, требующей детального изучения характеристик торфа, важнейшей из которых является содержание в нем отдельных групповых составляющих. Поэтому значительный интерес представляет определение особенностей группового состава в зависимости от природы исходного вещества.

Цель работы. Изучение влияния типа, группы и степени разложения торфа на изменение выхода его групповых составляющих.

Объекты и методы исследования . Образцы верхового, переходного, низинного торфа степени разложения R от 5 до 45 % были отобраны с 11 месторождений Томской области.

Ботанический состав и степень разложения R определены по стандартной методике [1]. Технический анализ (влажность аналитической пробы W ^a , зольность на сухое вещество A^d , выход летучих веществ на горючую массу V^оdaf ) проведен согласно [2–4]. Полученные характеристики приведены в таблице 1.

Характеристика объектов исследования

Таблица 1

Вид торфа, шифр	Основные растения-торфообразователи, %	R, %	Технический анализ, %
			Wa	Ad	V daf
1	2	3	4	5	6
Верховой торф
Сфагново-мочажинный, ВСМ-5	Сфагнум фускум, магелланикум, ангу-стифолиум, балтикум (90)	5	8,4	1,9	77,7
Фускум-торф, ВФ-5	Сфагнум фускум (80)	5	7,9	2,1	76,0
Сфагновый, ВС-5	Сфагнум магелланикум (50)	5	7,0	4,2	76,2
Фускум-торф, 1 ВФ-10	Сфагнум фускум (80)	10	6,2	1,3	82,6
Магелланикум-торф, ВМ-10	Сфагнум магелланикум (55), фускум (25)	10	7,8	2,9	74,9
Сфагново-мочажинный, 1ВСМ-15	Сфагнум майус (15), куспидатум (25), ензении (20), магеллан. (10)	15	7,6	2,4	77,3
Фускум-торф, 2 ВФ-20	Сфагнум фускум (70)	20	10,5	3,1	80,3
Пушицево-сфагновый, ВПС-25	Пушица (25), сфагнум фускум (5), ангу-стифолиум (55)	25	8,2	2,9	73,5

Окончание табл. 1

1	2	3	4	5	6
Пушицево-сфагновый, 1 ВПС-35	Пушица (80), сфагнум фускум (15); кустарнички, сосна (5)	35	6,6	3,8	71,0
Шейхцериевый, ВШ-40	Шейхцерия (55), сфагнум фускум (5), магелланикум (10)	40	9,4	3,7	72,3
Переходный торф
Шейхцериевый, ПШ-20	Шейхцерия (65), пушица (10); сфагнум магелланикум (10)	20	7,4	8,4	73,7
Пушицево-сфагновый, ППС-25	Пушица (30); сфагнум фускум (20), ма-гелланикум (20)	25	6,7	6,6	69,4
Осоково-сфагновый, ПОС-30	Сфагнум фускум (15), магелланикум (20), осока топяная (35)	30	7,2	4,4	71,1
Низинный торф
Осоково-гипновый, НОГ-25	Гипновые мхи (70), осока топяная (15), осока вздутая (5); вахта (5)	25	8,2	8,9	70,7
Осоковый, 2 НО-25	Вахта (55), осока топяная (40)	25	17,4	7,2	71,7
Древесный, НД-30	Древесина хвойных пород (40)	30	7,1	10,3	68,3
Древесно-осоковый, НДО-30	Осока топяная и сближенная (55), древесные остатки (сосна) (25)	30	19,6	8,3	70,4
Осоковый, НО-35	Осока вздутая (65), топяная (5)	35	8,1	7,9	68,4
Осоковый, 1 НО-35	Осока вздутая (50), топяная (40)	35	7,6	6,1	70,4
Осоково-гипновый, 1 НОГ-45	Гипновые мхи (65), осока вздутая (10), осока топяная (5)	45	10,2	9,9	70,4

Результаты и обсуждение . Экспериментальные данные по выходу групповых составляющих, определенных по [5], представлены в таблице 2.

Содержание в торфе групповых составляющих

Таблица 2

Шифр торфа	Групповой состав, % на daf
	Б	ВРВ +ЛГВ	ФК	ГК 1	Ц	НГО
Верховой торф
ВСМ-5, ВФ-5, ВС-5	4,6-4,4 3,7	53,6-52,6-47,7	15,6-16,2 14,7	9,0-10,018,0	9,0-7,27,0	8,2-9,6-8,9
1 ВФ-10, ВМ-10	3,9-4,0	40,2-52,4	18,8-18,5	20,0-10,1	7,1-7,0	10,0-8,0
1 ВСМ-15	4,6	49,8	16,1	14,3	5,3	9,9
2 ВФ-20	4,4	46,1	17,5	16,2	5,6	10,2
ВПС-25	6,3	32,6	18,3	25,0	5,4	12,4
1 ВПС-35	8,2	31,3	18,6	28,0	5,7	8,2
ВШ-40	8,0	30,3	19,7	28,9	2,8	10,3
Переходный торф
ПШ-20	4,3	33,2	17,2	30,4	2,0	12,9
ППС-25	3,4	35,9	11,1	34,1	3,5	12,0
ПОС-30	5,0	39,3	18,6	25,2	3,0	10,0
Низинный торф
НОГ-25, 2 НО-25	3,0-2,2	33,5-28,5	13,0-11,8	30,0-38,0	2,3-2,0	18,2-17,5
НД-30, НДО-30	4,4-4,2	27,5-28,7	10,6-12,1	43,9-35,0	2,1-1,9	11,9-14,1
НО-35, 1 НО-35	2,9-3,1	26,2-27,6	12,7-12,0	40,0-38,3	1,9-2,0	16,5-17,0
1 НОГ-45	3,1	28,3	13,0	38,0	1,7	15,9

Примечание. Б – битумы; ВРВ – водорастворимые вещества; ЛГВ – легкогидролизуемые вещества; ФК – фульвокислоты; ГК – гуминовые кислоты; Ц – целлюлоза; НГО – негидролизуемый остаток.

Как следует из полученных данных, наибольший выход представлен ВРВ+ ЛГВ – от 26,0 до 53,6 % и ГК – от 9,0 до 43,9 %. Выход ФК находится от 10,6 до 19,7 %, НГО – от 8,0 до 18,2 %; битумов – от 2,2 до 8,2 % и трудногидролизуемых веществ (целлюлозы) – от 1,7 до 9,0 % на daf соответственно.

Рассмотрим влияние типа торфа на содержание в нем битумов. При переходе от верховых торфов к низинным (табл. 2) получено: Б верх (3,7…8,2 %) > Б перех (3,4…5,0 %) > Б низин (2,2…4,2 %). Данные результаты соответствуют общим характеристикам европейских, западносибирских и алтайских торфов [6–11]. Как показано в исследованиях [12, 13], выявленная тенденция зависит от различного начального содержания битумов в рас-тениях-торфообразователях верхового торфа и их характеристик (содержание парафиновых, предельных углеводородов и их производных). Более высокая битуминозность верхового торфа также определяется и вторичными, протекающими в нем процессами. Авторы [14] указывают на синтез смолистой части битумов за счет конденсации высокополимерных гуминовых кислот с сахарами и альдегидами. При этом происходит не только накопление ГК в результате распада органической части, но и превращение их в битумные вещества при взаимодействии кислот с продуктами неполного разложения (клетчаткой, пектиновыми веществами и др.). Подтверждением вышеизложенному являются данные [13], свидетельствующие о более высоком содержании в битумах смолы для верховых торфов (16,6…44,4 %) по сравнению с низинными (7,4…37,2 %).

Аналогично битумам получена зависимость для выхода целлюлозы: Ц верх (2,8…9,0 %) > Ц перех (2,0…3,5 %) > Ц низин (1,7…2,3 %). Этот факт вызывает кажущееся на первый взгляд противоречие, связанное с содержанием целлюлозы в растениях-торфообразователях: в среднем для сфагновых мхов до 20 %, для древесины 35–40 % [12]. Но в процессе торфообразования, при условиях богатого минерального питания и интенсивной деятельности микроорганизмов, происходит взаимодействие целлюлозы с другими органическими соединениями и продуктами их распада, что приводит к существенному снижению ее содержания в торфе низинного типа. У сфагновых мхов, содержащих антисептики, содержание целлюлозы изменяется мало вследствие консервации органического вещества и биохимической устойчивости.

Отмечено снижение выхода ФК при переходе от верхового типа к низинному: ФК верх (14,7…19,7 %) > ФК перех (11,1…18,6 %) > ФК низин (10,6…13,0 %). Это объясняется тем, что в условиях более глубокого разложения торфа и высокой биологической активности фульвокислоты как менее устойчивые низкомолекулярные вещества гуминового комплекса преобразуются в гуминовые, вследствие чего их количество уменьшается.

Выход части углеводного комплекса представлен: ВРВ+ЛГВ верх (30,3…53,6 %) > ВРВ+ЛГВ перех (33,2…39,2 %) > ВРВ+ЛГВ низин (26,0…33,5 %). Причем уменьшение этих веществ в торфе, согласно [5, 12], всегда сопровождается ростом выхода гуминовых кислот, что подтверждено нашими данными: ГК верх (9,0…28,9 %) < ГК перех (25,2… 34,1 %) < ГК низин (30,0…43,9 %).

Изменение содержания негидролизуемых веществ аналогично ГК: НГО верх (8,0…12,4 %) < НГО перех (10,0…12,9 %) < НГО низин (11,9…18,2 %).

Таким образом, исследованные верховые торфа характеризуются большим выходом углеводного комплекса, ФК и битумов, в то время как для низинных торфов характерно большее содержание гуминовых кислот и НГО.

Влияние степени разложения торфа на содержание групповых составляющих наиболее четко прослеживается для образцов верхового типа. При росте R от 5 до 40 % возрастает содержание битумов, ГК, незначительно НГО и ФК (см. табл. 2, рис.). При этом механизм распада органического вещества, проходящий через стадию образования сначала фульвокислот, а затем гуминовых, в верховых малоразложившихся торфах менее выражен. Объем накопления фульвокислот при увеличении R значительно меньше, чем гуминовых [12].

Содержание углеводного комплекса в верховых торфах при переходе R от 5 до 40 % изменяется в обратном порядке, что подтверждают данные [15] о более высоком содержании этих ГС среди репрезентативных верховых малоразложившихся торфов южно-таежной зоны Западной Сибири.

Для торфов переходного типа зависимость не получена, для низинного типа – изменения по выходу ВРВ+ЛГВ, ГК, целлюлозы, вследствие роста R от 25 до 45 %, выражены в меньшей степени, чем для верхового. Для битумов ФК и НГО зависимость не определена.

Влияние типа и R торфа на его групповой состав находится в тесной взаимосвязи с особенностями ботанического состава, проследить которые возможно используя средние показатели ГС для верховых и низинных торфов различных групп: моховой (М), травяно-моховой (Т-М), травяной (Т), древесно-травяной (Д-Т) и древесной (Д). Результаты приведены в таблице 3.

а

б

в

д

г

е

Влияние степени разложения верхового (1), переходного (2), низинного (3) торфа на выход групповых составляющих: а – битумы; б – гуминовые кислоты; в – ЛГВ + ВРВ; г – целлюлоза; д – фульвокислоты; е – негидролизуемый остаток

Таблица 3

Тип торфа	Группа торфа
	М	Т-М	Т	Д-Т	Д	М	Т-М	Т	Д-Т	Д
	Изменение среднего выхода ГС, % отн.
	Бср.					ВРВ+ЛГВср.
Верховой	4,1	7,3	8,0	-	-	49,5	32,0	30,3	-	-
Низинный	-	3,1	2,7	4,2	4,0	-	30,9	27,4	28,7	27,5
	ФКср.					ГКср.
Верховой	16,7	18,5	19,7	-	-	13,8	26,5	28,9	-	-
Низинный	-	13,0	12,2	12,1	10,6	-	34,0	38,8	39,0	43,9
Цср.						НГОср.
Верховой	6,9	5,6	2,8	-	-	9,0	10,3	10,3	-	-
Низинный	-	2,0	2,0	1,9	2,1	-	17,1	17,0	14,1	11,9

Среднее содержание группового состава в зависимости от типа и группы торфа

Моховая группа представлена верховыми образцами торфа ( R = 5–20 %). Травяно-моховая ( R = 25– 35 % и R = 25–45 %) и травяная ( R = 40 % и R = 25–35 %) группы – верховыми и низинными. Древеснотравяная (R = 30 %) и древесная ( R = 30 %) группы – низинными торфами.

Как следует из данных таблицы 3, повышенное содержание битумов характерно для верховых торфов травяно-моховой и травяной групп, в ботаническом составе которых содержится от 50 до 70 % пушицы и 70 % шейхцерии (ВПС-25, 1 ВПС-35, ВШ-40). Согласно исследованиям [5, 9, 12], пушица и шейхцерия характеризуются высоким выходом липидов, и фракции этих растений относятся к медленно разлагающимся, что, в конечном итоге, и определяет более высокую битуминозность данных образцов торфа по сравнению с образцами моховой группы.

Таким образом, для исследованных верховых торфов, в зависимости от группы торфа, получено следующее изменение Бср. верх : моховая < травяно-моховая < травяная (от 4,1 до 8,0 %).

В ряду низинных торфов самое высокое значение Бср. низин характерно для древесно-травяной и древесной групп (НД-30, НДО-30). На повышенную битуминозность низинных торфов этих групп для месторождений Томской области указано в работе [13]. Объяснить полученное можно исходя из исследований [12, 14]: одно из ведущих мест среди битумообразователей занимают производные фенантренового ряда и терпены, которые содержатся в хвойной древесине (образец НД-30 содержит древесину сосны 35 %, образец НДО-35 – древесину сосны и др. хвойных 40 %, табл. 1). Таким образом, установить влияние группы для низинных торфов возможно только при объединении: Бср. низин травяно-моховой и травяной групп <  Бср. низин травянодревесной и древесной.

Среднее содержание углеводных компонентов ВРВ+ЛГВср. верх , в зависимости от их группы, находится в ряду: моховая > травяно-моховая > травяная (от 49,5 до 30,3 %). Это обусловлено тем, что устойчивость водорастворимых и легкогидролизуемых веществ в торфогенном слое определяется структурой и способами защиты растений-торфообразователей после их отмирания. Так, сфагновые мхи в своем составе содержат большое количество антисептиков (летучие и нелетучие фенолы), которые и являются консервантами этих ГС.

Для низинных осоково-гипновых торфов травяно-моховой группы показатель ВРВ+ВРВср. низин имеет несколько большее значение (30,9 %) по сравнению с осоковым, древесно-осоковым и древесным торфами травяной, древесно-травяной и древесной групп, в которых ВРВ+ВРВср. низин изменяется от 28,7 до 27,4 %. Полученное, согласно [12], зависит от состава зеленых гипновых мхов, которые отличаются высоким содержанием протогуминов, а в условиях торфяной залежи происходит накопление фенольных групп (консервантов) за счет процесса их дегидратации. В результате – более высокая устойчивость низинных торфов травяно-моховой группы.

ФКср. верх получены в пределах от 16,7 до 19,7 % при переходе: моховая <  травяно-моховая < травяная группа, что коррелирует и с влиянием степени разложения торфа. Для низинных торфов ФКср. низин снижается от 13,0 до 10,6 % в ряду: травяно-моховая > травяная, древесно-травяная >древесная группа.

Значения по среднему выходу ГК для верховых и низинных торфов увеличиваются от моховой к древесной группе: для ГКср. верх – от 13,8 до 28,9 %, для ГКср. низин – от 34,0 до 43, 9 % .

Изменение Цср. верх , в зависимости от группы торфа, определено в порядке: моховая >  травяномоховая > травяная группа (от 6,9 до 1,9 %). Что касается низинного торфа, то зависимость не установлена (аналогично с R ) вследствие полученного узкого интервала изменения Цср. низин от 1,9 до 2,1 %.

Минимальное значение НГОср. (9,0 %) определено для верхового торфа моховой группы. Для пуши-це-сфагновых торфов травяно-моховой и шейхцериевого торфа травяной групп НГОср. = 10,3 %. Полученное соответствует соотношению между степенью разложения и выходом негидролизуемых веществ и подтверждает данные [12], свидетельствующие, что при переходе от моховой группы верховых торфов к травяной может наблюдаться некоторое увеличение негидролизуемых веществ. Для низинных торфов показатель НГОср. низин снижается от 17,1 до 11,9 % в ряду : травяно-моховая > травяная > травяно-древесная > древесная группа.

Выводы

• 1.    Для образцов верхового торфа по сравнению с низинным характерно большее содержание битумов, фульвокислот, углеводного комплекса, в то время как для образцов низинного торфа характерно большее содержание гуминовых кислот и негидролизуемого остатка.

• 2.    Зависимость влияния степени разложения торфа на выход групповых составляющих более выражена для торфов верхового типа: с ростом R увеличивается выход битумов, гуминовых и фульвокислот, выход углеводного комплекса снижается.

• 3.    Содержание битумов, фульвокислот, гуминовых кислот и негидролизуемого остатка для верхового торфа находится в ряду: моховая < травяно-моховая < травяная группа. Выход целлюлозы и ВРВ+ЛГВ имеет обратную зависимость.

• 4.    При переходе от травяно-моховой к древесной группе низинных торфов получено увеличение выхода гуминовых кислот и снижение выхода негидролизуемого остатка. Содержание остальных групповых составляющих имеет более сложный характер в зависимости от группы низинного торфа.