Применение метода термического анализа для оценки показателей качества волокна конопли при использовании в агротехнологиях защитно-стимулирующих комплексов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение метода термического анализа для оценки показателей качества волокна конопли при использовании в агротехнологиях защитно-стимулирующих комплексов

Белопухов С.Л.*, Байбеков Р.Ф.*, Серков В.А.**,

Жарких О.А.*, Дмитревская И.И.*

*РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева

**Пензенский НИИ сельского хозяйства

Аннотация

Метод термического анализа использован для оценки качества волокна технической конопли сорта Сурская. Волокно получено при выращивании конопли на полях Пензенского НИИСХ, в опытах применена двукратная обработка посевов биопрепаратами Флоравит, ГФК, Супер Гумисол, Биоклад. Волокно высокого качества характеризуется более высоким содержанием целлюлозы и меньшим - лигнина. По данным термического анализа установлено, что для конопли сорта Сурская действие биорегуляторов положительно влияет на качество получаемого волокна, а оценка проводится по содержанию в волокне воды, органических компонентов, включая целлюлозу и лигнин, минеральным компонентам, энергии активации и константам скорости реакции термического разложения. Установлено, что при обработке растений конопли Супер Гумисолом содержание органических компонентов по сравнению с контролем возросло на 4%, ГФК - на 6,7%, Флоравитом - на 11,6%. При использовании препаратов Флоравит и ГФК увеличивается, по сравнению с контролем, содержание целлюлозы на 3-4 %, уменьшается содержание лигнина на 1,5-1,7%. Волокно высокого качества характеризуется высокими значениями энергии активации по целлюлозе и, в целом, по сумме энергий активации органических компонентов (более 1200 кДж/кг), с учетом их массовой доли в волокне.

Ключевые слова: КОНОПЛЯ, ВОЛОКНО, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ, ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ, ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ, КОНСТАНТА СКОРОСТИ

Введение

Коноплю исторически всегда выращивали в России, даже в советские времена до 80-х годов. Основной объем производства был в Пензенской области, Мордовии, Краснодарском крае, Нижегородской области и некоторых других регионах страны. Однако около 40 лет тому назад коноплю техническую приравняли к наркотической, что привело к резкому уменьшению площадей под ней.

В последние годы пришло понимание ошибочности этого решения, т.к. концентрация тетрагидроканабиннола ТГК в агроконопле не превышает 0,1%, тогда как в наркотической - от 18 до 30 %, а пользу стране техническая конопля может принести большую: это текстильное сырье, конопляное масло, мука конопляная для пищевой промышленности, целлюлоза и др.

В результате запрет на выращивание технической конопли был снят, и с 2012 года техническую безнаркотическую коноплю стали выращивать многие хозяйства в вышеприведенных регионах. Этому способствовало также то, что сохранились пенькозаводы, которые вновь стали работать.

В Госреестре селекционных достижений страны зарегистрировано 26 ненаркотических сортов конопли, которую можно использовать для выращивания и последующей переработки. В 2018 году посевные площади под техническую коноплю составили более 10 тыс. га, в 2019 году - более 12 тыс. га. Потребность внутреннего рынка и экспортный потенциал продукции из лубяных культур, включая коноплю, достаточно высоки, есть перспективы для наращивания производства [1].

Коноплю культивируют как среднерусскую, так и южную. Согласно данным Росстата на 2017 год, в РФ урожайность конопли среднерусской (волокно, соломка и семена) составила 6,5; 24,3 и 3 центнеров с 1 га убранной площади, соответственно. Урожайность конопли южной (соломка и семена) - 61,4 и 0,5 ц с 1 га убранной площади. По данным Минсельхоза России, потребность в волокне льна и конопли составляет не менее 350 тыс. тонн ежегодно, причем половина этого объема приходится на предприятия текстильной промышленности, остальное - на производство технических изделий (целлюлоза, биокомпозиты, медицинские и санитарно-гигиенические товары, сырье для производства углепластика и химической продукции, строительные материалы). Одной лишь целлюлозы, по данным ГК РОСТЕХ, Россия может потреблять не меньше 100 тыс. тонн/год.

В стеблях конопли современных сортов отечественной селекции содержание целлюлозы составляет 45-58 %. Используя целлюлозу конопли, можно существенно сократить вырубку лесов и обеспечить сохранность экологической среды, ведь 1 га конопли дает в 4 раза больше целлюлозы, чем 1 га леса. термический анализ волокно конопля

Цель настоящего исследования состояла в применении метода термического анализа для оценки качества волокна технической конопли.

Объекты и методы исследования

Объект исследований - сорт безнаркотической однодомной конопли среднерусского экотипа Сурская (репродукция семян ОС). Полевой опыт выполнен на территории полевой станции ФГБНУ «Пензенский НИИСХ», общая площадь посева конопли - 3 га. Перед посевом проводили на глубину 22 см безотвальную обработку почвы агрегатом КПШ-5. Минеральные удобрения вносили дробно - 2/3 под основную обработку почвы и 1/3 под предпосевную культивацию (N90P100K90). Опыт однофакторный, размещение делянок - систематическое. В 2017 и 2018 гг. посев проводили в первой декаде мая сеялкой СН-16 с дисковыми сошниками в 4-хрядковом варианте. Общая площадь делянки - 30 м2, учётная - 25 м2. Норма высева семян - 0,8 млн. шт./га. Повторность опыта - 4-хкратная. Количество вариантов - 5. Общее количество делянок - 20. Общая площадь опыта с биорегуляторами - 0,06 га. Предшественник - чистый пар.

Почва опытного участка - чернозём выщелоченный среднесуглинистый. Агрохимические показатели почвы пахотного слоя (до 40 см), по данным Пензенского НИИСХ: содержание гумуса (по Тюрину) 6,0… 6,5 %; легкогидролизуемого азота (по Тюрину) - 70…85 мг/кг почвы; подвижного фосфора (по Чирикову) - 100… 150 мг/кг почвы; обменного калия (по Кирсанову) - 170…210 мг/кг почвы; рНсол. - 5,7…5,9.

Препараты для обработки посевов. Контроль - обработка водой из расчета 250-300 л/га. Концентрация препаратов для обработки составила 1% растворы. Флоравит - фиторегулятор на основе натуральной композиции вторичных метаболитов продуцентов мицелиевого гриба Fusarium. Интенсифицирует ростовые процессы и способствует ускоренному созреванию семян [2]. Препарат Биоклад изготовлен на основе ультрагумата, вермикомпоста, кремния и микроэлементов. Обладает регуляторной и антистрессовой активностью. Гуминово-фульватный комплекс (ГФК) - фиторегулятор на основе гуминовых и фульвокислот. Способствует ускорению созревания и увеличению качественных показателей урожая [3]. Препарат Супер Гумисол - синтетический антистрессор, сочетает свойства эффективного стимулятора роста, антистрессового адаптогена и протравителя. Обладает восстановительной функцией, стимулирующей вегетирующие органы активно регенерировать после стрессового воздействия заморозков, засухи, вредителей.

Термический анализ проведен на термоаналитическом комплексе при условиях, определенных ранее при анализе растительных образцов [4, 5].

Результаты и обсуждение

В наших исследованиях методом термогравиметрического анализа было определено общее содержание органических и минеральных компонентов, а также целлюлозы, лигнина и золы в волокне, рассчитаны физико-химические параметры процесса термической деструкции образцов волокна конопли. На рис. 1 представлены данные по содержанию минеральных компонентов (зольность) в волокне.

Рис. 1. Содержание минеральных компонентов в волокне, %

Обработка препаратами Супер Гумисол и Биоклад практически не повлияла на изменение содержания минеральных компонентов по сравнению с контролем. Однако при обработке препаратами ГФК и Флоравит наблюдается существенное снижение концентрации минеральных компонентов на 39,5 и 47,7 %, соответственно. При этом увеличивается биосинтез органических веществ (рис. 2) и растет их концентрация.

Рис. 2. Содержание органических компонентов в волокне, %

Несущественно повлияла на скорость биосинтеза органических компонентов, по сравнению с контролем, обработка конопли препаратом Биоклад. При обработке Супер Гумисолом содержание органических компонентов, по сравнению с контролем, возросло на 4%, ГФК - на 6,7%, Флоравитом - на 11,6%.

В проведенных ранее исследованиях по химическому составу льняного волокна, обработанного различными биопрепаратами [6-8] было показано, что повышенное содержание целлюлозы и меньшее содержание лигнина способствуют увеличению механической прочности, и, соответственно, возрастает качество волокна (рис. 3). Чем выше содержание целлюлозы, тем в соответствии со стандартом выше номер произведенного при дальнейшей переработке как трепаного, так и чесаного пеньковолокна. По нашим данным, при применении при использовании препаратов Флоравит и ГФК увеличивается, по сравнению с контролем, содержание целлюлозы на 3-4 %, уменьшается содержание лигнина на 1,5-1,7 %.

По данным термограмм для компонентов волокна, хорошо видны эндо- и экзотермические эффекты. В качестве примера на рис. 4 представлена термограмма волокна при использовании для обработки растений конопли препарата Флоравит.

Рис. 3. Содержание целлюлозы в волокне, %

По данным термоанализа проведен расчет энергий активации для каждого из компонентов в волокне. В примере с пеньковолокном, которое было получено при обработке конопли препаратом Флоравит, суммарная энергия активации по всем компонентам составляет Еакт = 1372 кДж/кг, для суммы органических компонентов - Еакт =1214 кДж/кг, для воды - Еакт = 15,5 кДж/кг, для минеральных компонентов - Еакт =143 кДж/кг. Важной физико-химической характеристикой, которая рассчитывается по данным термоанализа, является константа скорости реакции термического разложения (Кт). Для компонентов в ряду вода - целлюлоза - лигнин - другие органические компоненты - минеральные компоненты Кт (с-1) составляет 0,192; 0,288; 0,460; 0,117; 0,138, соответственно. Чем больше значение константы Кт, тем быстрее идет термическая деструкция. Аналогичные закономерности были установлены ранее при анализе льняного волокна [8], что подтверждает возможность применять метод термического анализа для оценки качества лубяных волокон. При этом более прочные по разрывным нагрузкам и другим физико-механическим параметрам волокна конопли обладают более высокими (в среднем на 25-35 %) значениями энергии активации целлюлозы по сравнению с льняными волокнами.

Рис. 4. Термограмма пеньковолокна при применении препарата Флоравит

Заключение

Метод термического анализа может быть использован для оценки качества растительных волокон. Волокно более высокого качества, в соответствии с требованиями ГОСТ, характеризуется номером волокна, химическим составом и физико-механическими параметрами. Чем больше в волокне содержание целлюлозы и меньше лигнина, тем волокно считается более качественным. Один из приемов увеличения содержания в пеньковолокне целлюлозы - это двукратная обработка растений в процессе роста и развития защитно-стимулирующими комплексами, например, биопрепаратами ГФК и Флоравит. По данным термического анализа, для конопли сорта Сурская действие биорегуляторов в целом положительно влияет на качество получаемого волокна, а оценка проводится по содержанию в волокне воды, органических компонентов, включая целлюлозу и лигнин, минеральным компонентам, энергии активации и константам скорости реакции термического разложения. Волокно высокого качества характеризуется высокими значениями энергии активации по целлюлозе и, в целом, суммы энергий активации органических компонентов, с учетом их массовой доли в волокне.

Список использованных источников

1. Белопухов С.Л., Захаренко А.В. Роль защитно-стимулирующих комплексов в льноводстве // Достижения науки и техники АПК. - 2008, № 9. - С. 27-28.

2. Белопухов С.Л., Дмитревская И.И., Прохоров И.С., Григораш А.И. Влияние биопрепарата Флоравит на рост, развитие и урожайность льна-долгунца // Агрохимический вестник. - 2014, № 6. - С. 28-30.

3. Прусакова Л.Д., Кефели В.И., Белопухов С.Л., Вакуленко В.В., Кузнецова С.А. Роль фенольных соединений в растениях // Агрохимия. - 2008, № 7. - С. 86-96.

4. Белопухов С.Л., Буряков Н.П., Шнее Т.В. Химическая сертификация сельскохозяйственной продукции // учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Агрохимия и агропочвоведение», «Агрохимия», «Садоводство» / РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. - Москва. - 2012. - 160 с.

5. Калабашкина Е.В., Белопухов С.Л. Термохимический анализ льняного волокна // Бутлеровские сообщения. - 2011, т. 28. - С. 11-14.

6. Белопухов С.Л., Малеванная Н.Н. Влияние циркона на химический состав льна-долгунца // Плодородие. - 2004, № 1 (16). - С. 18-20.

7. Москаленко А.И., Белопухов С.Л., Ивлев А.А., Боев В.И. Общий метод синтеза спироциклических 3-гидрокси-, 3-оксотетрагидрофуранов, содержащих карбоциклические и гетероциклические фрагменты // Журнал органической химии. - 2011, т. 47, № 7. - С. 1073-1077.

8. Белопухов С.Л., Фокин Е.В. Действие защитно-стимулирующих комплексов с эпином на урожай и качество волокна льна-долгунца // Известия ТСХА. - 2004, № 1. - С. 32-39.

Размещено на Allbest.ru