Изучено действие озона на летучие органические вещества в газовой фазе методами твердофазной микроэкстракции и капиллярной газовой хроматографии. Показано, что применение озона позволяет проводить эффективную трансформацию низкомолекулярных органических примесей в воздухе в неопасные, нетоксичные и легко удаляемые производные. Методом биотестирования по выживаемости молоди Ceriodaphnia affinis yстановлено, что продукты окисления антропогенных примесей озоном безопасны для окружающей среды. Ключевые слова. Летучие органические вещества, твердофазная микроэкстракция, капиллярная газовая хроматография, озонирование, биотестирование, токсичность.

Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. Их концентрации заметно выше в закрытых помещениях. Наши органы чувств воспринимают их присутствие как запахи. Любой вид запаха, приятный или неприятный, обусловлен присутствием в воздухе низкомолекулярных летучих органических соединений. Для того, чтобы эти соединения могли вызывать ощущение запаха, их концентрация в воздухе должна быть выше пороговой. Под действием солнечного излучения, влаги, кислорода летучие соединения вступают в различные реакции, разрушаются, поэтому их средняя концентрация в воздухе вие помещений невелика. Однако в замкнутых изолированных помещениях может происходить накопление летучих веществ и продуктов их трансформаций, поэтому такие помещения часто имеют «тяжелый, несвежий» запах. Особенно сложная ситуация складывается в салонах транспортных средств, например B пассажирских самолетах. Простая вентиляция салона недостаточно эффективна, так как существуют определенные требования и необходимость обеспечения высоких стандартов качества атмосферы салона.

Известно несколько способов санации закрытых помещений. В последние годы все шире распространяются методы санации медицинских учреждений, кинотеатров и других общественных зданий с помощью озона. Считается, что озонирование является одним из наиболее прогрессивных современных технологических процессов, направленных на создание экологически чистых, благоприятных условий жизнедеятельности человека. В частности, на примере работы авиадиспетчеров показано, что оно повышает работоспособность и иные физиологические показатели организмов сотрудников. В то же время в литературе отсутствуют сведения о составе летучих органических веществ B атмосфере закрытых помещений. обусловленных пищевыми продуктами, составляющими Меню пассажиров, особенностями их реакции с озоном и токсичными свойствами продуктов этих реакций.

Целью работы являлось определение продуктов взаимодействия летучих органических веществ с озоном в газовой фазе методом твердофазной микроэкстракции и оценка степени токсичности и опасности получаемых продуктов реакции.

Модельную смесь готовили, смешивая индивидуальные эфирные масла черного перца (30.1%), тмина (22.7%), кориандра (15%) и гвоздики (30,1%) производства компании "Plant Lipids Ltd.", Индия. В смесь добавили и-додекан (2.1%) внутренний стандарт.

Твердофазная микроэкстракция. Для определения летучих веществ в газовой фазе в исходном образце и после озонирования использовали метод твердофазной микроэкстракции с применением оборудования фирмы Супелко. Это самый эффективный метод выделения и концентрирования летучих веществ из различных объектов. Модельную смесь эфирных масел (5 мг), которая представляла собой жидкость, состоящую из 22 индивидуальных органических веществ различной структуры, помещали в 2 стеклянные колбы объемом 0,25 л. Колбы закрывали, выдерживали 20 мин (до достижения равновесия жидкость-газ); затем во 2-10 колбу вводили 5 мг газообразного озона, выдерживали для протекания окисления органических веществ и производили по описанной методике отбор проб, которые помещали в инжектор хроматографа для проведения анализа.

Для получения запахов пищевого происхождения в качестве источника использовали мясной фарш и натуральные пряности. К 240 г фарша добавили 2,0 г молотого черного перца, 1,7 г молотого кориандра и 1,0 г лаврового листа. Все ингредиенты перемешивали, затем помещали в 2-х литровую круглодонную колбу, в нее добавляли 600 мл горячей воды, кипятили 5 мин и без дефлегматора отгоняли 300 мл дистиллята с летучими соединениями. По 150 мл дистиллята помещали в 2 колбы (объем 0,5 л) и выдержали при комнатной температуре 30 мин. Затем из одной колбы выделяли летучие вещества в течение 20 мин методом твердофазной микроэкстракции и проводился анализ методом Г.Х. Во вторую колбу вводили 4 мг озона, через 20 мин не окисленные вещества извлекали твердофазной микроэкстракцией в течение 20 мин и анализировали методом ГХ.

Газохроматографический анализ (ГХ) проводили на хроматографе Кристалл 2000 М (Россия) с пламенно-ионизационным детектором и кварцевой капиллярной колонкой DB-1 (50м х 0.32мм, слой фазы 0.25мкм, фирма "Supelco". США) при программировании температуры колонки от 60 до 250°С со скоростью 4°С/мин при температуре инжектора и детектора 250°С. Скорость газа-носителя гелия через колонку составляла 1,5мл/мин, деление потока на входе в колонку 1:30. Идентификацию соединений в образцах проводили на основе величин индексов удерживания. Для количественного определения содержания отдельных компонентов использовали величины площадей их пиков. Предварительно была проведена калибровка прибора 1 установлено, что воспроизводимость количественных определений содержания веществ по величинам площадей пиков методом твердофазной экстракции была очень высокой, относительная погрешность из 7 параллельных определений не превышала 5%.

Озон синтезировали в электрическом разряде. при пропускании струи кислорода между электродами; напряжение на электродах 4-9 кВ. Концентрацию озона контролировали спектрофотометрически на УФ-спектрофотометре при длине волны 254 нм. Концентрация озона варьировалась от 2 х 10^•4 до 5 х 10^•5 моль/л.

Определение острой токсичности смеси эфирных масел и продуктов их озонирования проводили методом биотестирования по выживаемости молоди Ceriodaphnia affinis. Стеклянную колбу объемом 1,0 л заполняли озоном в количестве 0,4 мг и добавляли 0,3 мг смеси эфирных масел, колбу плотно закрывали и оставляли на 1 час для озонирования органических веществ. Затем в колбу добавляли 0,5 л воды, тщательно перемешивали встряхиванием проводили биотестирование. В такую же колбу помещали 0,3 мг смеси эфирных масел и 0,5 л воды, встряхивали, перенося масла в воду и также проводили биотестирование, этот образец был эталоном. В качестве контроля использовали 0,5 л воды. Биотестирование проводили по методике.

Во многих помещениях основными источниками запаха являются пищевые продукты, парфюмерия, сантехнические и другие бытовые средства. В эти объекты добавляют ароматизаторы, состоящие из низкомолекулярных органических веществ природного или синтетического происхождения, которые и отвечают за аромат объекта. Природные смеси летучих веществ, продуцируемых пряно- ароматическими растениями, называют эфирными маслами. Компоненты эфирных масел и их синтетические аналоги являются главными составляющими при получении парфюмерных препаратов, их широко используют в качестве ароматизаторов для предметов бытовой химии. Пряности добавляют при приготовлении пищи и, хотя они только модифицируют аромат пищевых продуктов, их летучие компоненты являются основными по количественному содержанию среди нескольких сотен веществ, формирующих аромат того или иного продукта. Поэтому в качестве модельной системы мы использовали смесь эфирных масел черного перца (30,1%), тмина (22.7%), кориандра (15%) и гвоздики (30,1%). ГХ анализ этой смеси показал, что в ней содержатся соединения, состав которых, в %. приведен в табл. 1. Как видно, основными компонентами в смеси являлись лимонен, линалоол, карвон, эвгенол и кариофиллен, их содержание было больше 10%. Для количественной оценки действия озона на органические соединения использовали 5 мг смеси, содержание летучих веществ в этом количестве смеси варьировалось от 4 до 1000 мкг (табл. 1). Из газовой фазы над образцом сорбцией на полимере выделено намного меньшее количество веществ, чем было добавлено в колбу от 25 до 3454 нг. Таким образом, эффективность извлечения компонентов смеси органических веществ была очень низкой, она составляла 0.2 0,6% для монотерпенов, 0,4% для сесквитерпенов, только 0,1% для эвгенола и 1,1% для додекана. Тем не менее, этого количества веществ было достаточно для получения качественной хроматограммы и определения их количественного содержания.

Рисунок. 1. Основные продукты реакции лимонена с озоном

После озонирования 5 мг смеси с помощью 5 мг озона в течение 20 мин основная часть веществ окислилась. Не окисленной осталась незначительная доля п-цимена и камфоры, а также внутреннего стандарта насыщенного углеводорода додекана. В следовых количествах обнаружены уксусный и пропионовый альдегиды и два новых изомерных 1.2-лимонен эпоксида (рис. 1, вещества 3). Одним из основных компонентов по содержанию в смеси эфирных масел были лимонен (1), представленный на рисунке, оба найденных изомерных эпоксида (3) являлись следовыми продуктами его окисления. Основным продуктом была 2-ацетокси-5-формилгексановая кислота (2), которая не обнаружена ГХ.

Аромат пищевых продуктов формируют вещества, которые содержались в исходных ингредиентах, а также те, которые образовались в процессе приготовления или хранения продуктов. Ферментирование, окисление и термические реакции типа реакции Майара это основные процессы, приводящие к синтезу ароматобразующих веществ в пищевых продуктах. Содержание таких летучих веществ невелико, чаще всего они содержатся в концентрациях на уровне 0,001 100 ррм (1 х 10 0,01%). Поэтому при исследовании состава летучих ароматобразующих веществ обязательной стадией является их выделение и концентрирование. В нашей работе мы выделили летучие соединения из основной пищевой матрицы методом дистилляции с водяным паром. Из газовой фазы над полученным дистиллятом выделили и сконцентрировали летучие вещества методом твердофазной микроэкстракции, затем проанализировали методом ГХ. Продукт являлся мясным бульоном, приготовленным из мясного фарша, черного перца, кориандра и лаврового листа. Продукт после термической обработки имел приятный интенсивный аромат мясного бульона с пряностями. Список найденных веществ и их содержание в газовой фазе над дистиллятом бульона приведены в табл. 2. Следует отметить, что содержание летучих веществ в этом продукте было близким к содержанию в реальных пищевых продуктах. Основными компонентами, найденными в газовой фазе, были 1,2-цинеол, линалоол, терпенил и геранилацетаты, все соединения являлись компонентами пряностей. Было проведено озонирование и найдено, что практически все соединения были разрушены озоном, найдены остаточные количества 1,2-цинеола и камфоры. Как оказалось, эти соединения были достаточно устойчивы к действию озона, для их полного разрушения можно использовать более высокие концентрации озона, но следует отметить, что пороговые концентрации запаха этих веществ существенно выше, чем было найдено в газовой фазе, поэтому их запах не ощущался над бульоном. В любом случае, терпены в малых концентрациях имеют приятный аромат и обладают некоторыми видами биологической активности, повышают иммунитет, улучшают настроение и присутствие этих соединений в воздухе можно считать весьма положительным фактором.

3.3. Оценка опасности продуктов окисления озоном летучих органических соединений методом биотестирования по выживаемости молоди Ceriodaphnia affinis (острая токсичность).

Согласно нормативам, контроль за безопасностью среды осуществляется путем определения содержания загрязнителей и соблюдением их соответствия предельно-допустимым концентрациям (ПДК). Известно, что токсичные дозы пищевых эфирных масел составляют от 2 до 7 г/кг массы крыс. Как следует из данных, уже приведенных, ни в одном пищевом продукте, косметическом или другом известном препарате бытовой химии не достигается подобное содержание эфирных масел. Поэтому можно заключить, что сами по себе пищевые запахи вреда для здоровья не несут. Однако оставалась невыясненной токсичность продуктов реакции изученных веществ с озоном, которые не определялись хроматографически. Для определения токсичности продуктов реакции мы использовали метод биотестирования. В отличие от физико-химических методов, которые требуют знания состава загрязнителей, биотестовые методы анализа позволяют обнаружить их физиологическую активность в интегральной форме.

Для определения острой токсичности использовали выживаемость молоди Ceriodaphnia affinis. Показателем метода служило среднее количество исходных самок-дафний, выживших в течение биотестирования. Критерием токсичности являлось

достоверное отличие показателя выживаемости в опыте от контроля.

Таблица 3. Результаты биотестирования по выживаемости молоди Ceriodaphnia affinis (острая токсичность)

Из результатов, представленных в табл. 3 следует, что и изученные летучие органические вещества, которые являлись основными компонентами запаха, и продукты их окисления озоном не были токсичными. Поэтому можно утверждать, что при озонировании летучих органических веществ, состав и содержание которых в воздухе не выходит за рамки санитарных норм, не образуется новых веществ, представляющих угрозу для жизни человека. Предлагаемый способ удаления летучих примесей из воздуха озонированием является эффективным методом дезодорирования жилых или служебных помещений.

Методом твердофазной микроэкстракции определен состав летучих веществ, выделяемых из модельной смеси эфирных масел в газовое пространство над этой смесью.

Разработан метод трансформации летучих веществ в неопасные, нетоксичные и легко удаляемые производные путем смешения газовой фазы с озоном.

Методом биотестирования по выживаемости молоди Ceriodaphnia affinis доказано отсутствие токсичности продуктов окисления озоном летучих веществ.

Рассмотрено превращение древесины осины под воздействием озона. Определен выход озонированной древесины, водорастворимых продуктов озонирования древесины. Рассчитаны выход целлюлозосодержащего продукта озонирования и содержание в нем целлюлозы и остаточного лигнина. Образцы древесины и целлюлозы изучены методом ик- спектроскопии. Определена полимеризации целлюлозы из озонированной древесины. степень

Показано, что превращения древесины при озонировании сопровождаются деструкцией лигнина 11 целлюлозы. Физико- химические свойства целлюлозы зависят от условий обработки озоном древесины; варьирование содержания воды в исходном образце позволяет регулировать свойства целлюлозы из оронированной древесины. В процессе деструкции древесины участвует как молекулярный озон, так и радикалы, образующиеся при взаимодействии озона с водой, присутствующей в клеточной структуре субстрата.

Древесина является источником ряда ценных химических соединений, среди которых целлюлоза относится к наиболее востребованным продуктам конверсии биомассы. Уникальные химические, физические и физико-химические свойства обусловили широкое применение целлюлозы и продуктов на её основе в самых различных областях от космической техники до фармакологии. Поэтому поиск и разработка новых методов получения и изучение свойств целлюлозы относятся к приоритетным направлениям современной науки и технологии.

Озон нашел широкое применение при отбелке бумажной массы на стадии удаления остаточного лигнина. Деструкцию лигнина наблюдали и при непосредственной обработке озоном растительного субстрата. Исследовали озонирование различных субстратов (солома, кукурузные початки, манс, хвойная, лиственная древесина и др.). В работе показана возможность достижения 93% степени делигнификации при озонировании древесины осины. Методами ИК- и УФ- спектроскопии показано, что под действием озона происходит деструкция лигнина древесины, одновременно образуются растворимые в воде продукты окисления лигнина карбонил и карбоксилсодержащие соединения, ароматические.

В данной работе представлены результаты исследования превращений древесины с различным содержанием воды под действием озона.

Цель работы: установить взаимосвязь между условиями озонирования древесины и свойствами целлюлозы, полученной из озонированной древесины.

2. Материалы и методы

2.1. Матерналы

Материалом исследования служили опилки древесины осины с размерами частиц от 0,315 до 0,63 мм с содержанием воды (moisture content MC) от 8% до 160% относительно массы абсолютно-сухой древесины ((m_а.с.л.). MC=(m_H20/m_а.с.л.)×100%

Целлюлозу из древесины или целлюлозосодержащего продукта озонирования (1г) получали гидролизом древесины 15% водным раствором надуксусной кислоты по методике.

Озонирование древесины проводили в соответствии с методикой. Для удаления остаточного озона использовали патрон с катализатором, что позволяло снизить концен- трацию озона на выходе из реактора до значений меньше ПДК.

Выход озонированной древесины (ОД) (Y1), определяли как отношение массы абсолютно-сухого озонированного образца Од к массе исходной абсолютно-сухой древесины (а.с.д.). Образцы од промывали водой для удаления растворимых соединений высушивали. Выход 12 целлюлозосодержащего продукта (ЦП), а также выход целлюлозы (ҮЗ) определяли как отношение массы абсолютно-сухой целлюлозы к массе исходной а.с.д. Содержание лигнина в исходном образце и образцах ЦП определяли по методике.

Степень полимеризации растворов целлюлозы в определяли вискозиметрически (капиллярный вискозиметр ВПЖ-3).

ИК-спектры поглощения образцов древесины, ЦП и целлюлозы в виде таблеток с КВr регистрировали на Equinox 55/S (Bruker).

В Таблице 1 приведены значения выходов озонированной древесины 1. целлюлозосодержащего продукта У2, содержание целлюлозы и лигнина (ЛГ) в целлюлозосодержащем продукте в зависимости от удельного расхода озона для различного содержания воды в древесине.

Таблица 1. Выход озонированной древесины Ү1 целлюлозосодержащего продукта Ү2, целлюлозы Ү3, содержание целлюлозы и дигнина (ЛГ) в целлюлозосодержащем продукте для различных значений удельного расхода озона при озонировании древесины.

Увеличение массы образцов после озонирования объясняется окислением функциональных групи древесины низкомолекулярных продуктов окисления озоном. часть адсорбируется на поверхности ОД. После промывания озонированных образцов древесины содержание перастворимых в воде соединений составило 63-66%. Содержание растворимых соединений (ҮІ-Ү2) достигает 39-40%, заметно снижаясь при низких значеннях Q_r. В состав растворимых в воде продуктов входят различные кислоты (рН раствора изменяется от 5,6 для исходного образца до 1,9 при Q = 7,6 ммоль /г_а.с.л.). На рис.ЗА приведены ИК- спектры поглощения исходной древесины и образцов целлюлозосодержащего продукта. Оптическая плотность полос при 1590, 1506 см^-1 (скелетные колебания ароматического кольца) уменьшается, вследствие деструкции ЛГ древесины под действием озона. Карбоксильные группы характеризуются полосой при 1738 cm^-1 её интенсивность мало изменяется при увеличении Q_r

Рис. 3. ИК- спектры поглощения исходной древесины (А) и целлюлозы (Б) О_r, ммоль/г_а.с.л: 0 (1). 3.8 (2), 7.6 (3).

Все ИК- спектры поглощения целлюлозы из озонированной древесины характеризуются полосами 898, 1059, 1110, 1159, 1248, 1372, 1429, 2900, типичными для целлюлозы (Рис.ЗБ). Полоса 2900 см^-1 относится к С-Н валентным колебаниям, полосы поглощения 1429 cм^-1 и 898 cм^-1 относятся соответственно к ножничным колебаниям метиленовой группы и атома C^-1 и колебаниям четырех окружающих его атомов в β гликозидных структурах. Соотношение D₁₄₂₉ /D₈₉₈ используют для оценки степени кристалличности целлюлозы, так как полосу 1429 cм^-1 считают полосой "кристалличности", а полосу 898 cм^-1 полосой "аморфности". Для спектров 1, 2 и 3 соотношение D₁₄₂₉ /D₈₉₈ составило 2,31, 2.12 и 2,37, соответственно. Спектр 2 характеризуется наиболее низким значением параметра D₁₄₂₉ /D₈₉₈ что указывает на возрастание аморфности данного образца целлюлозы. Снизилась интенсивность и расширилась полоса 3376 cм^-1 что свидетельствует о структурной неоднородности образца. Этот вывод подтверждается данными молекулярно-массового распределения целлюлозы, которые показали, что целлюлоза из древесины, озонированной при МС 55%, отличается наиболее неоднородным молекулярно-массовым составом.

Среднее значение степени полимеризации (СП) целлюлозы из исходной древесины составляет 700. По мере увеличения удельного расхода озона СП уменьшается (Рис. 4.). Значению Q_r = 3,8 ммоль/г_а.с.л. соответствует целлюлоза с СП 280. Целлюлоза из древесины, озонированной при МС 160%, характеризуется значением СП 220.

Рис. 4. Средняя степень полимеризации целлюлозы (1) и содержание лигнина (2) в зависимости от удельного расхода озона.

На рисунке 4 также приведены данные по содержанию остаточного ЛГ при различных значениях удельного расхода О_з. Видно, что деструкция ЛГ происходит при более низких значениях Q_r а на начальном этапе озонирования является преобладающим процессом.

Озонирование образца древесины с содержанием воды 55% сопровождается снижением выхода ЦП, а также выхода целлюлозы. Очевидно, что деструкция целлюлозы возможна только в аморфных областях, доступных реагенту. Взаимодействие с озоном может привести к увеличению размеров этих областей, а даже к деструкции целлюлозы до низкомолекулярных соединений.

Важно отметить, что деструкция целлюлозы в древесине под воздействием О_з наблюдается, когда лигнин ещё не разрушен полностью. В этих условиях его содержание 3,8% (Таблица 1). Скорость окисления лигнина на несколько порядков превышает скорость окисления углеводов, поэтому полученный результат объясняется различной доступностью структурных блоков биомассы реагенту.

Глубина деструкции древесины при обработке озоном зависит от содержания воды, и МС ~55% наиболее благоприятно для реакций озона с субстратом. Реакция идет быстрее, достигается наибольшая степень превращения озона, что соответствует более глубокой деструкции древесины; выход озонированной древесины уменьшается и, соответственно, именно в этих условиях возрастает выход растворимых в воде соединений. Озонирование при более высоких МС сопровождается «нецелевым» расходом части озона на окисление продуктов озонирования, растворенных в воде.

Изучение взаимодействия озона с древесиной показало, что в реакциях с древесиной принимает участие, главным образом, озон. растворенный в воде, присутствующей в клеточной структуре древесины. Взаимодействие Оз с молекулами воды приводит к генерации ОН^•- радикалов, содержание которых зависит от ряда факторов, и, в первую очередь, от рН среды.

Молекулярный озон вступает B реакции электрофильного циклоприсоединения с последующим раскрытием ароматического кольца по механизму Криге. Этот механизм считают одним из наиболее вероятных механизмов разрушения лигнина. По-видимому, он реализуется и в реакциях озона с лигнином в древесине. Реакции электрофильного присоединения считают основным механизмом деструкции β-О-4 связей лигнина. Протекают и реакции гидроксилирования конифериловых и паракумаровых структур или окислительная деструкция метоксильных групп лигнина. В предлагается, что основным направлением реакции образование феноксильных радикалов с последующим раскрытием ароматического кольца и образованием непредельных кислот, альдегидов, перекисных соединений.

Отмечают также, что лигнин подвергается деструкции под действием электрофильных частиц: О₃ и ОН^•- радикалов.

Действие О₃ и ОН^• - радикалов на углеводы состоит в разрыве гликозидных связей и окислении спиртовых групп, что приводит к уменьшению степени полимеризации и образованию карбонильных и карбоксильных соединений. В работе отмечено, что за превращения углеводов при озонировании целлюлозосодержащих материалов ответственны О₂^•- радикалы.

Соотношение концентраций молекулярного озона и радикалов зависит от рН среды. Показано, что выход радикалов заметно возрастает при рН > 3 Учитывая то, что на начальных стадиях озонирования рН контактного раствора равно 5,6, можно допустить участие радикалов в процессе окисления субстрата. В ходе озонирования рН снижается, поэтому вклад радикальных процессов, скорее всего, уменьшается. Доминирующими становятся реакции молекулярного озона.

Нельзя исключить и предполагаемое в наличие взаимосвязи между процессами деструкции ароматических систем и углеводов за счет промежуточных продуктов окисления лигнина (феноксильные радикалы, ОН^• - радикалы, озониды).

Взаимодействие озона с древесиной протекает в аморфных областях лигноуглеводного комплекса (ЛУК), состоящего из гемицеллюлоз и ароматических структур лигнина. Доступный реагенту лигнин, как наиболее реакционно-способная часть структуры, разрушается в первую очередь этот процесс неизбежно приводит и к превращениям ковалентно связанных с лигнином углеводов ЛУК. Таким образом, под действием активных частиц при озонировании происходит деструкция лигнина и полисахаридов in situ. Показано, что в этих условиях идет заметная деструкция гемицеллюлоз. Целлюлоза также подвергается деструкции.

1. Озонирование древесины вызывает окислительную деструкцию лигнина и полисахаридов.

2. Выход целлюлозы, средняя степень полимеризации и надмолекулярная структура целлюлозы зависят от содержания воды в древесине, подвергнутой обработке озоном. Варьирование содержания воды позволяет регулировать свойства целлюлозы из озонированной древесины.

В работе представлены результаты изучения процесса поглощения озона древесиной осины с различным содержанием воды. Показано, что озонирование древесины с содержанием воды 55% характеризуется наибольшей эффективностью. Рассмотрена роль воды в процессе озонирования растительной биомассы.

Озонирование является одним из способов обработки растительной биомассы. Озон рассматривают как перспективный с экологической точки зрения реагент, так как он не образует токсичных продуктов превращения. Развитие озонных технологий и наметившаяся тенденция к снижению стоимости озона открывают новые возможности для его использования в области конверсии растительного сырья.

Изучение озонирования растительных субстратов показало, что основные физико-химические характеристики процесса поглощения озона определяются условиями подготовки образца и параметрами озонирования. Важным условием делигнификации под действием озона является присутствие воды, а эффективность процесса озонирования зависит от её содержания в образце.

В данной работе представлены результаты исследования поглощения озона древесиной с различным содержанием воды. Цель работы: установить область содержания воды, соответствующую наиболее эффективному поглощению озона древесиной.

B качестве исследуемых материалов использовали опилки древесины осины с размерами частиц от 0,315 до 0,63 мм с содержанием воды (moisture content МС) от 8% до 160% относительно массы абсолютно-сухой древесины (m_а.с.д.). MC(m_H2O/m_а.с.д.)×100%

Обработке озоном подвергали образцы древесины с различным содержанием воды общей массой 1,3-2,0 г при постоянном объеме образца (2.7 мл), что позволяло проводить обработку озоном при постоянном времени пребывания реагента в реакционной зоне.

Озонирование проводили B проточной системе термостатированном (1=25°С) реакторе с неподвижным слоем. Озон B кислородную смесь с концентрацией озона 80-90 мг/л (озонометр Медозон 254/3) пропускали через реактор при скорости потока 4,4 л/ч. По окончании опыта генерацию озона (озонатор Медозон 03/05) прекращали, систему продували кислородом. Непрореагировавший озон разлагался в каталитическом патроне [9] на выходе из системы. Чтобы оценить потери озона проводили «холостой» опыт с образцом озонированной древесины того же объема, что и исследуемый образец. Критерием окончания реакции считали совпадение концентрации озона на выходе из реактора в холостом опыте и в опыте с образцом.

Кинетические кривые зависимости концентрации озона на выходе из реактора при озонировании образцов древесины приведены на рисунке 1А (кривые 1-3).

На рисунке 15 приведены кинетические кривые зависимости удельного поглощения озона древесиной осины при различном содержании воды. Озонирование проводится в проточной системе, поэтому в ходе озонирования содержание воды в образце снижается. Увеличение содержания воды позволяет достигнуть более высоких значений удельного расхода озона Q. Видно, что Q_r1<Q_r2<Q_r2.

Рис. 1. Кинетические кривые зависимости концентрации озона на выходе из реактора (А). удельного расхода озона (Б, В) и степени превращения озона (Г) при озонировании древесины осины. Содержание воды МС,%: 28 (1), 55 (2), 160 (3). МС, %: 30 (1), 55 (2), 160 (3). Концентрация озона на выходе из реактора в холостом опыте. (Puc.1A. кривая 4).

Начальные участки кривых поглощения озона позволяют оценить скорость поглощения озона образцом. При МС 55% скорость поглощения озона превышает скорость поглощения озона образцами с содержанием воды 28% и 160% (рис. 1В). Кинетические зависимости степени превращения озона (1) рисунка ІГ показывают, что снижается в ходе озонирования от 100% до 8-20%. Снижение степени поглощения озона объясняется тем, что в ходе озонирования в реакцию включаются менее реакционно-способные группы субстрата, а также продукты превращения древесины. Из рисунка видно, что при МС 55% степень превращения уменьшается медленнее, а значение степени превращения озона. соответствующее завершению процесса озонирования (α), наибольшее.

На рисунке 2 приведены зависимости начальной скорости поглощения озона (V) и α от начального значения содержания воды в образце. Значение Ѵ возрастает в интервале МС от 8% до 55%, затем слегка снижается. Видно, что процесс поглощения озона образцом с содержанием воды 55% характеризуется наибольшей эффективностью (α~20%).

Рис. 2. Зависимость начальной скорости поглощения озона (1) и степени превращения озона (2) от содержания воды в образце.

Зависимости скорости поглощения и степени поглощения озона, в принципе, аналогичны. Величина скорости поглощения озона на начальном этапе озонирования может использоваться для первоначальной оценки эффективности озонирования исследуемого образца.

Влияние содержания воды на процесс поглощения озона связан с хорошо известным свойством набуханием древесины в присутствии воды. Набухание объясняется адсорбцией и капиллярной конденсацией в порах стенки клеток древесины. Вода, адсорбированная стенками клеток, называется «связанной водой», a количество воды. соответствующее полному заполнению пористой системы стенок. называется «точкой насыщения волокна» (ТНВ). При содержании воды, превышающем ТНВ, водой заполняются и полости клеток. Вода. заполняющая полости, называется «свободной водой». Связанная вода отличается от свободной воды более высокой плотностью, низкой подвижностью молекул и другими физическими свойствами.

Набухание древесины в присутствии воды вызывает увеличение поверхности древесины (100-200 раз), поэтому многократно возрастает и число доступных реагенту функциональных групп. Отсюда понятно увеличение расхода озона, а также начальной скорости поглощения озона при увеличении МС, представленные на рисунках 1 и 2.

При значении МС 55%, превышающем ТНВ древесины осины (28%). наблюдается наиболее заметный эффект воздействия О_з на образец. Необходимость некоторого избытка воды относительно THB исследуемого субстрата, позволяющего достигнуть заметного эффекта воздействия озона, отмечалась во многих работах.

Процесс поглощения озона растительным субстратом включает ряд стадий. Среди них переход О₃, из газовой фазы в воду, затем диффузия к поверхности субстрата через слой свободной в слой связанной воды, где осуществляются реакции реагента с реакционными группами субстрата. Тепловое движение молекул и диффузия, в результате которой происходит обмен между молекулами свободной и связанной воды, по существу, определяют скорость обсуждаемого процесса.

Кроме реакций, которые осуществляются в слое связанной воды, часть озона расходуется в объёме свободной воды на реакции с низкомолекулярными соединениями продуктами превращения субстрата. Вклад этих реакций в поглощение От возрастает с увеличением продолжительности озонирования. Значения констант скорости реакций Оз с алифатическими кислотами, известными как продукты превращения лигноцеллюлозных материалов, на несколько порядков ниже констант скоростей реакций с ароматическими структурами, поэтому их присутствие в воде оказывает на процесс поглощения озона «тормозящий» эффект.

1. Показано, что процесс поглощения озона при содержании воды 55% характеризуется наибольшей эффективностью.

2. Вода вызывает набухание древесины, обеспечивая доступность поверхности субстрата для реагента, а также играет роль среды для транспорта реагента и продуктов окисления.

Так, интернациональная группа исследователей Tarik Naheiri другие рассмотрели проблему массовой гибели креветок на фермах Мадагаскара и Мозамбика в сезоне 2011-2012 годов. Эта эпидемия сократила производство креветок на 80-90%. Речь идет о заражении моллюсков так называемой вирусной болезнью «белых пятен». Установлено, что высокая скорость заражения связана с качеством воды в прудах для разведения креветок.

Авторы сравнивают метод дезинфекции воды с помощью хлора и приходят к выводу, что озонирование имеет в этом случае определенное преимущество. Правда, такая технология предполагает ряд строгих требований к аппаратуре по производству озона и генераторам кислорода, которые должны работать бесперебойно во влажном тропическом климате. Рассматриваются различные схемы поддержания в воде необходимой концентрации озона и растворенного кислорода. Схема такой фермы представлена на рис. 1.

Рис. 1 Схема фермы по выращиванию креветок

Каков же результат применения озона? Он более чем положителен. Если без озоновой дезинфекции смертность креветок достигала (и превышала) 80%, то после обработки эта цифра составляла 20% (и менее).

Безусловно, наиболее интересный раздел Конгресса это АОР, в частности, АОР каталитическое озонирование (КО). Всего в разделе АОР более 30 докладов, непосредственно КО посвящены 10 работ. Рассмотрим кратко некоторые из них.

В работе Ѕ. S. Sable и других с весьма многообещающим названием "Применение новых каталитических материалов для устранения органических загрязнителей, возникающих при каталитическом озонировании» авторы указывают. что образующиеся в процессе очистки высокотоксичные органические соединения должны быть устранены в обязательном порядке. Здесь речь идет в первую очередь об очистке фармакологических стоков. В работе рассматривали целый ряд катализаторов на основе гидротальсита и шпинелей. В таблице 1 представлены эти катализаторы.

Таблица 1. Степень минерализациu CFA (Clofibric Acid) после 2 и 6 часов обычного и каталитического озонирования. Выпадение металлов в осадок в процессе озонирования

Очевидно, что наиболее предпочтительным выглядит Cu-Al оксидный катализатор. Все эти катализаторы эффективно (100%) устраняют выбранный загрязнитель клофибриковую кислоту (clofibric acid CFA). Авторы делают вывод, что в семействе рассмотренных катализаторов наибольшей активностью отличаются гидротальситовые и медь-шпинельные соединения среди FeOOH- производных соединение 0,5% Pd/Fe-OOH (1 спеченый при 200°С) можно рассматривать, как один из наиболее успешных устранителей СFА в плане минерализации органики при озонировании. железо-

Отметим две весьма схожие работы по обработке городских сточных вод методом КО. Группа французских исследователей изучала возможность устранения прочных микрозагрязнителей сточных водах двух фармацевтических фабрик. Подчеркивается, что просто озонирование имеет такие недостатки, как избирательность и возможность появления нежелательных побочных продуктов. Опираясь на патент ТОССАТА, где используются процессы на поверхности катализаторов в виде таблеток, авторы изучают изменение таких

важных параметров окисления, как растворенный органический углерод (DOC), растворенный неорганический углерод (DIC), окисленный неорганический углерод (ІС) с помощью специального анализатора фирмы Шимадзу. Кроме того, определялся химически потребленный кислород (COD), а также поглощение раствора в области 260-460 нм.

Рассматривались три варианта воздействия на загрязнители: просто озонирование. просто адсорбция и каталитическое озонирование. Все эксперименты проводились в течение 130 минут в случае наличия твердой фазы и 70 минут в жидкой фазе (контактное время). Показано, что кинетика озонирования отвечает псевдо-первому порядку, а кинетика адсорбции псевдо-второму порядку. На рис. 2 представлены результаты очистки (баланс по углероду) при просто озонировании и каталитическом озонировании

Рис. 2. Баланс по углероду

Работа по детальному изучению процесса КО на y-Al₂O, проведена большой группой французских ученых (12 сотрудников) из университета г. Монпелье. Это всеобъемлющее исследование рассматривает самые разные стороны процесса КО. В качестве объекта для окисления был избран 2,4-диметилфенол (2.4 ДМФ), который является прочным органическим соединением. Просто озонирование и озонирование в присутствии y-Al-O; приводит к разрушению 2,4 ДМФ за 25 минут. При этом рН среды меняется от 4,5 до 2,5. Сам 2,4 ДМФ не адсорбируется на у-A1-03. Введение у-А:О, в процесс озонирования загрязнителя резко усиливает разрушение последнего. Общий органический углерод (ТОС) увеличивается с 14% до 46 %. Аналогичным образом химическое потребление кислорода (ХПК) возрастает с 35% до 75%. В процессе КО возникают различные промежуточные продукты, после 5 часов озонирования 90% органических соединений составляет уксусная, муравьиная и щавелевая кислоты. Некоторые карбоновые кислоты адсорбируются на γ-Al₂O₃

В результате экспериментов с устранителем радикалов четвертичным бутанолом, было показано, что действительно усиление окисления 2,4 ДМФ связано с генерацией ОН*-радикалов, в отличие от процесса прямого окисления загрязнителя, когда «работает» сама молекула О_з. Поскольку γ-Al₂O₃ представляет собой амфотерное вещество, на его поверхности находятся одновременно кислотные центры Льюиса АОН(Н⁺) и основные центры AL-ОН. Используя FTIR- спектрометр, авторы смогли показать, что эти центры по-разному реагируют на процесс озонирования. Количество основных центров уменьшается за счет адсорбции карбоксилатов, в то время как число кислотных центров Льюиса остается неизменным. Со временем каталитическая активность γ-Al₂O₃ прогрессивно уменьшается из-за кумулятивной сорбции карбоксилатов на основных центрах.

Вся совокупность вышеперечисленных фактов адсорбция на поверхности γ-Al₂O₃, основных органических соединений, находящихся в растворе непосредственно 2,4 ДМФ и промежуточных продуктов; кинетика распада 2.4 ДМФ (использовался статический реактор с механической мешалкой); поверхностные реакции, в частности, появление и исчезновение ОН*-радикалов; непрерывный мониторинг всех параметров процесса был выполнен на самом высоком уровне.

В материалах Конгресса имеется несколько докладов по работающим водоочистным станциям, где используется озон. Мы рассмотрим два из них. Первый относится к работе группы французских исследователей (10 человек) по оптимизации очистки от микрозагрязнителей. Авторы сообщают, что в настоящее время устранение микрозагрязнителей становится основной задачей в подготовке питьевой воды при использовании поверхностных источников. Сравнительно небольшая станция водоподготовки (производительность по чистой воде 600 м³/час) в городе Sophia- Antipolis (34 тысячи жителей) была избрана для проведения экспериментов. В работающей станции использовалась традиционная технология водоподготовки: биоочистка, фильтры, хлорирование. Последний этап был заменен на озонирование + биофильтрацию. Целью работы было установить, как такая система может устранять широкий спектр микрозагрязнителей, относящихся к разным классам веществ. Список этих загрязнителей приведен в таблице 2.

Таблица 2 Микрозагрязнители, которые подвергались мониторингу

Концентрация этих веществ не превышала 1000 мг/л, и все они подвергались непрерывному мониторингу. Кроме того. анализировались такие параметры, как концентрация взвешенных веществ, химическое потребление кислорода, общий органический углерод, а также ионный состав воды (NH₄⁺, NO₃^-, NO₂^-, PO₄^3-) 06 озонаторной установке и вообще о процессе озонирования в докладе сообщается мало. Известно только, что доза введенного озона составляла 3÷12 г/м³. Остаточная концентрация озона в воде также отслеживалась. Авторы приводят в статье сравнительные результаты устранения ряда веществ из группы антибиотиков после І-ІІ стадий обработки воды это биоочистка и фильтрование, и І-ІІ и III с добавлением озонирования и биоочистки (рис. 3).

Рис. 3. Эффективность устранения отобранных антибиотиков и пестицида диурона на разных этапах очистки I+ ІI и I+II+ III

Из этих данных следует, что лишь два загрязнителя (диурон и рокситромицин) удаляются сравнительно слабо (60%). Все остальные вещества имеют степень удаления от 70 до 90%. В выводах авторы подчеркивают, что при дозе озона 5 г/м³ практически все загрязнители, такие, как антибиотики и бетаблокаторы удаляются с эффективностью свыше 70%. Для металлов -25-35%.

Второй доклад также посвящался проблеме очистки сточных вод.

Работа осуществлялась на станции водоочистки, которая обрабатывает сточные воды от 105000 жителей швейцарского города Neugut. Там впервые в Швейцарии используется полномасштабная озоновая очистка, следующая за стандартной биологической обработкой. Заключительным этапом очистки является песчаный фильтр. Озон производится из чистого кислорода и вводится в воду в смесительной камере. Средняя доза введенного озона лежит в пределах 2+5 мг/л, что приблизительно соответствует 0,4÷1,0g O₃/g DOC. Время удержания в камере около 50 минут.

Авторы (их 12 человек) подчеркивают, что целью этой работы было, во-первых, продемонстрировать эффективность озона для устранения загрязнений и, во-вторых, произвести мониторинг промежуточных продуктов, возникающих в процессе озонирования. Для оценки эффективности процесса озонирования были избраны 44 соединения. пестициды. используемые, как фармацевтические препараты. отходы химических производств пищевой промышленности. Для анализа этих веществ использовали прибор LC- online SPEHRMS. Некоторые промежуточные продукты озонирования, установленные ранее в лабораторных экспериментах, были идентифицированы подвергались мониторингу полномасштабных исследований. Среди B большого процессе списка микрозагрязнений, рассмотренных в работе, большое внимание было уделено 5 веществам (бензотриакол, карбамазерин, диклофенак, сульфаметоксазол и мекапроп), которые считают индикаторными загрязнителями в сточных водах. На рис. 4 представлена эффективность устранения этих пяти индикаторов при трех различных дозах озона: 0,35; 0,56; 0,67 г О₃/г ДОС.

Рис. 4. Устранение 5 индикаторных веществ в реакторе озонатора при различных дозах озона

Очевидно, что при высшей дозе достигается устранение всех пяти веществ не менее, чем на 80%. С другой стороны, концентрации некоторых промежуточных продуктов были также определены при различных дозах озона и изучена кинетика их появления. По мнению авторов, проведенные эксперименты показывают важность использования озонового блока в стандартной станции очистки сточной воды, позволяющего достигнуть более высокой степени очистки.

В тексте Конгресса имеется три статьи, где рассматривается возможность использовать солнечный свет для устранения загрязнений из воды. Показано, что солнечный свет может ускорять разложение щавелевой кислоты в растворах с озоном при рН = 4 почти на 2 порядка. Такое ускорение связано с тем, что щавелевая кислота очень медленно реагирует с озоном, но достаточно быстро разрушается ОН*- радикалами. Последние возникают при участии молекул Н₂О₂. Кинетика образования перекиси была надежно зафиксирована в этой работе.

Механизм распада такого органического загрязнителя, как N,N- dietil-meta-toluamide (DEET) в водном растворе озона в присутствии взвешенной окиси вольфрама (WO₃) был тщательно изучен в работе. В процессе фотокатализа были идентифицированы различные промежуточные продукты и изучена их кинетика. Показано, что такое фотоокисление может полностью устранить DEEТ менее чем за 30 минут. В свою очередь все наблюдаемые промежуточные соединения также могут быть устранены за 60 минут.

Вероятно, надо упомянуть здесь о работе, не связанной с озоном, но оригинальной по идее. Авторы предлагают добавлять в краску, используемую внутри помещения, ТіО₂, что, по мнению авторов, приводит к разрушению таких летучих загрязнений, как, например. формальдегид. Были получены первые положительные результаты, но работа находится на начальном этапе.

В заключение обзора отметим три работы, стоящие как бы в стороне от общей тематики. Немецкие исследователи показали, что при отборе озона в анализатор (речь идет о низких концентрациях озона на уровне ppb) нельзя использовать трубки из нержавеющей стали из-за разложения на последних озона. Таких искажений можно избежать, если пользоваться трубками из фторопласта.

Известные немецкие исследователи M. Selvermaser и N. Brugerman [10] в своей статье ставят очень важный вопрос о получении в промышленном масштабе технологического озона с концентрацией - 15 вес. % (225 г/м³). Авторы подчеркивают, что технические возможности синтезировать такой озон имеются. Они оценивают и выгоду, возникающую при использовании такой технологии. Весьма показательным здесь являются рис. 5 и 6.

Рис. 5. Сравнение эффективности работы двух озонаторов по стоимости на обслуживание (OPEX)

Рис. 6. ОРЕХ при производстве озона в различных генераторах

Кроме того, оценивается выгода в транспортировке газа при таких концентрациях (рис. 7), а также в уменьшении потока кислорода.

Рис. 7. Изменение стоимости трубопроводов в зависимости от диаметра трубы (на 1 м)

Рис. 7. Изменение стоимости трубопроводов в зависимости от диаметра трубы (на 1 м)

Здесь весьма показательными являются данные таблиц 3 и 4.

Таблица 3. Экономия по ОРЕХ (0,20 евро/м³, LOX)

Таблица 4. Экономия по ОРЕХ при использовании систем PSA и VPSA для производства кислорода

В конце этой интересной статьи авторы задаются такими вопросами:

Это, так сказать, приглашение к дискуссии.

Среди большого числа докладов, связанных с экологической миссией озона, выделяется работа французских исследователей, где сообщается о совсем другом, отчасти забытом, применении озона - использование его в качестве химического реактива-окислителя для синтеза определенных веществ. Авторы отмечают, что озон имеет ряд преимуществ по сравнению с другими классическими окислителями. В случае озона не существует необходимости устранять продукты разложения самого окислителя. Здесь это молекулярный кислород, поэтому такие процессы можно отнести к понятию «Зеленой химии».

В работе рассматриваются два процесса: окисление жирных кислот (в частности, олеиновой) и окисление полисахаридов. Оба они воспроизводятся в полупромышленном масштабе, и авторы убеждены в преимуществах таких синтезов. Ради справедливости заметим, что окисление олеиновой кислоты экспериментально было исследовано в нашей стране в конце 80-х годов прошлого века, но лишь в лабораторном масштабе.

В докладе приведен обзор наиболее интересных на наш взгляд работ посвященных озону и передовым способам окисления.

Начнем с раздела «Фундаментальные исследования». Первый же доклад на 22 Конгрессе был посвящен проверке (или уточнению) такой фундаментальной физико-химической величины, как Константа Генри. Как известно, эта константа представляет собой отношение концентрации озона в газовой фазе к его содержанию в жидкой фазе. Имеются ряд ограничений, которые надо соблюдать при экспериментальном определении этой величины, но все это факты, достаточно хорошо известные, и во многих материалах, посвященных растворимости озона в воде, приведены детальные таблицы зависимости этой константы от температуры. Авторы решают определять величину Н. так сказать, «в лоб»: измерялись концентрации О, в газе (спектрофотометрия по поглощению λ=254 нм) и в воде (различные методы: индиго-метод спектрофотометрическое определение обесцвечивания раствора индиго по λ= 800 им в растворе: йодометрия, широко распространенный и сравнительно простой метод, который применяется уже около века, при этом стехиометрия между поглощенным озоном и выделившимся йодом не ясна, что было предметом многих десятков исследований). И наконец, использовался метод окисления железа двухвалентного в железо трехвалентное с образованием цветного комплекса Fe II с фенантролинмоногидратом. За протеканием цветной реакции следили фотометрически по λ=512 им. Результаты этих измерений приведены на рис. 1.

Рис. 1. Поглощение излучения при λ= 258 им в зависимости от концентрации озона в воде, измеренной различными способами.

Здесь существенно сделать следующее замечание: достаточно хорошее совпадение всех четырех методов получалось в том случае, если стехиометрический коэффициент в йодометрическом методе был принят равным 1.5 (!). Между тем, сами авторы добросовестно цитируют другие работы, где этот коэффициент лежал в пределах 0.65/1,5 Но в данной работе «уложить» все точки на одну кривую можно было лишь при значении его, равным 1.5. Это, конечно, вызывает много вопросов. Авторы на них не отвечают, но данная работа еще раз показывает, что даже, казалось бы, очевидные истины требуют проверки.

В этом же разделе имеется весьма интересный доклад британских исследователей Diana Vulpe и Chedly Tizacui, посвященный разрушению распространенного на Западе пестицида метальдегида. При этом использовались различные окислители просто озон и в комбинации с такими компонентами, как перекись водорода, ультрафиолет, двуокись титана, углеродные нанотрубки и при одновременном воздействии озона, ультрафиолета, двуокиси титана. Авторы отмечают, что поскольку этот пестицид хорошо растворим в воде, то он вполне может попасть в водоносные слои питьевой воды, а также в воды рек и озер. Метальдегид обладает средней токсичностью. 50%-смертельный порог составляет 600 мг/кг веса. Для питьевой воды в Великобритании существует стандарт, равный 0,1 μg\л. Но пестицид может накапливаться. Поэтому устранять его необходимо. В таблице 1 приведены некоторые важные характеристики метальдегида.

Табл. 1. Свойства метальдегида

Рассматриваются кратко механизмы воздействия каждого выбранного окислителя на пестицид. И хотя они общеизвестны, но существующие небольшие отличия от принятых схем делают необходимым их воспроизведение.

В виде иллюстрации на рис. 2 представлено падение концентрации метальдегида во времени.

Рис. 2. Относительное изменение концентрации метальдегида во времени при действии O₃/UV и (Уг. Нm)/О₃/УЗ

Как можно видеть, эффективность O₃/UV и (Уг. Нm)/О₃/УЗ практически идентична и не велика. Наиболее эффективными системами являются Н₂О₂ / О₃/UV и Н₂О₂ / UV. Здесь падение концентрации пестицида достигает 90% за 100 минут.

Надо отметить еще в этой секции доклад датских ученых по устранению следов тринитрометана (ТНМ) в воде бассейна. Это весьма стандартная работа, проведенная в лаборатории на различных образцах воды из бассейна. Интересно отметить, что было установлено, сравнительно долгое время жизни озона 4 минуты при первичной обработке и 12 минут при повторных обработках. К сожалению, анализа воды на содержание органических соединений производилось не проводилось.

Наконец. B заключение обзора секции фундаментальных исследований можно упомянуть тщательно проведенную работу авторов из Туниса по окислению нитробензола на катализаторах, адсорбированных на угле. Показано, что просто озон устраняет нитробензол на 40%, в то время, как система Со/АС и Сu/АС позволяет достигнуть устранения загрязнителя на 95% и 84%, соответственно.

Методом Терагерцовой Рамановской спектроскопии была исследована гетерогенная реакция фотохимического образования «нестабильного эндопероксида рубрена» (5.6.11.12- тетрафенилтетрацена) из исходного рубрена в кристаллическом состоянии под воздействием лазерного излучения λ-785 нм в атмосфере кислорода. Оказалось, что нестабильный эндопероксид рубрена 0 подобен Ванн-дер-Ваальсовому комплексу дисперсионного типа. Было обнаружено, что при нагревания полученного нестабильного эндопероксида рубрена, происходит его диссоциация, образуется рубрен кислорода в низшем возбужденном состоянии. Таким образом. представляется возможным применение данной, обратимой. реакции для метрологического обеспечения контроля синглетного кислорода в воздухе.

Синглетный кислород относится к активным формам кислорода. Молекулы синглетного кислорода О₂(а¹Δ_g) из-за своей относительно высокой реакционной способности играют важную роль в различных природных фотобиологических и фотохимических процессах. Вероятно, синглетный кислород в значительной степени определяет фотохимические процессы в земной атмосфере. Контроль содержания синглетного кислорода в воздухе является важной частью систем мониторинга окружающей среды. Следует отметить, что методы определения синглетного кислорода предопределены его химическим строением и свойствами. По химическим свойствам синглетный кислород, отличается от «триплетного» кислорода основном квантовом состоянии). По электронной структуре синглетный кислород напоминает молекулу этилена, которая хорошо реагирует с сопряжёнными диенами. В виду этой особенности, при анализе газовой фазы на содержание в ней синглетного кислорода, пробу пропускают через раствор, содержащий вещество- индикатор, либо через зону, в которой присутствует реагент в твердом состоянии, на поверхности которого протекает гетерогенная реакция. Используемая реакция должна удовлетворять ряду требований: высокая скорость, специфичность относительно синглетного кислорода, отсутствие побочных продуктов, лёгкость определения индикаторного вещества или накапливающегося продукта реакции. Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет реакция 1,4-присоединения к сопряжённым диенам.

В данной работе рассмотрен вероятный механизм обратимого взаимодействия синглетного кислорода с кристаллическим рубреном (5,6,11,12-тетрафенилтетрацен), который является химической ловушкой для синглетного кислорода. До последнего времени. многостадийный процесс окисления рубрена синглетным кислородом умозрительно увязывали с начальной стадией образования в системе некоего нестабильного эндопероксида рубрена (НЭР). Такая реакция накопления НЭР, как предполагалось в работах. должна протекать в «темновых» условиях. При этом, понимания, что представляет собой такое нестабильное соединение, которое при невысоких температурах способно к диссоциации с отщеплением кислорода B низшем электронно-возбужденном (синглетном) состоянии, к настоящему времени не сложилось.

Спектроскопия комбинационного рассеивания света (КРС), в том числе, в области терагерцовых частот, оказалась эффективным методом для исследования протекания физико-химических превращений. Исследование гетерогенной реакции присоединения кислорода к рубрену, образование нестабильного комплекса и дальнейшее восстановление рубрена выполняли на аналитической системе мод. ОРТЕС-785TRS-2700. Благодаря использованию узкополосного лазера и совершенных notch-фильтров на Брэгговских решётках реализована возможность работы в терагерцовой области спектра (10-200 см^-1). Сигналы характеризуют вращательные B данной области низкочастотные трансляционные переходы комплексов молекул, супрамолекулярных структур, иных, больших фрагментов молекул.

Режим одномодового излучения OT лазера обеспечивается использованием системы температурной стабилизации активного кристалла резонатора. Выходное зеркало резонатора лазера построено на основе объемной голографической решетки, выполненной на стекле с фотохромным эффектом. Коаксиальная схема возбуждения и обратного получения Рамановского сигнала (или КРС) от образца в фокальной плоскости, позволила осуществить сопряжение оптического модуля с системой конфокального Рамановского микроскопа. Спектрометр высокого разрешения сопрягаемый с оптической системой BWTEK Glacier-T (2048, 16bit, 20m, 784-1000 nm, решетка 1200/850 nm, спектральное разрешение 3,6 cm^-1).

При проведении измерений было обнаружено, что при облучении кристаллического рубрена в воздушной атмосфере лазерным излучением 2-785 нм (мощность 100 мВт, ширина полосы излучения одномодового лазера 100мГц) наблюдается изменение его спектра КРС в области от 20 до 150 см смотри рис. 1

Рис. 1. В области трансляционных колебаний терагерцового диапазона частот 33.5 см наблюдается появление полосы. связанной с накопление предположительно

При этом, область колебательных частот «отпечатков пальцев» (диапазон от 200 до 1700 см) остаётся без существенных изменений в спектре, рис.2

Рис. 2. ТНz Раман спектр эндопероксида рубрена полученный для области -50 см^-1 ...1750 см^-1.

Было установлено, что при нагреванин полученного эндопероксида рубрена в реакторе до ~+80C° происходит восстановление спектрального контура КРС до начально рубрена. При этом газоанализатором синглетного кислорода мод. 102, было выявлено появление кислорода О₂(а¹Δ_g)в газовой фазе. Изменение спектра КРС в процессе восстановления рубрена при нагреве приведен на рис. 3.

Рис. 3 ТНz Раман-спектр эндопероксида рубрена полученный для области -50 см-1...+350 см^-1 рубрена после его восстановления нагреванием.

Вероятный механизм процесса представляется следующим образом: Кристаллический рубрен при нормальных условиях (на атмосферном воздухе) образует слабосвязанный Ван-дер-Ваальсовый комплекс дисперсионного типа: кислород (Т₀)-рубрен (S₀). B дальнейшем при фотовозбуждении рубрена излучением лазера 2-785 им происходит заселение нижнего электронно-возбужденного. вероятно триплетного уровня (порядка 1.14 эВ), состояния рубрена. Переход с низшего триплетного уровня рубрена в основное квантовое (синглетное) состояние в соответствии с правилами отбора является запрещенным. Это делает возможным под действием излучения лазера 785 нм заселение второго триплетного уровня энергии рубрена (2.28 эВ), реализуется двухквантовый процесс возбуждения. Существует вероятность интеркомбинационной конверсии, когда триплетно возбужденный рубрен (состояние Т₂) переходит в синглетное состояние Ѕ). В дальнейшем, рубрен при реакции с триплетным кислородом воздуха может продуцировать синглетный кислород, который взаимодействует с исходным рубреном в состоянии Ѕ₀ («химической ловушкой» синглетного кислорода) образуя эндопероксид. Последний путём нагревания его до 80 С° выделяет синглетный кислород, восстанавливаясь до исходного рубрена. В условиях, когда кислород не отщепляется от комплекса, вероятно, образуется стабильная форма эндопероксида рубрена. В лаборатории был целенаправленно синтезирован и исследован стабильный эндопероксид рубрена, спектр которого приведен на рисунке 4. Полученные в эксперименте данные (рис. 5) показывают на существенное различие в спектрах стабильной и нестабильной формы эндопероксида рубрена.

Рис. 4.1 ТНz Раман спектр, рубрена, стабильного эндопероксида рубрена полученные для области -50 см-1///+1700 см^-1, рубрена

Рис. 4.2 ТНz Раман спектр, рубрена, нестабильного эндопероксида рубрена полученные для области -50 см-1///+1700 см^-1, рубрена

Результаты квантово-химических расчетов в среде GAUSSIAN 09, базис b3Lyp/6-31g(d) показали на качественное соответствие полученных спектров рубрена и стабильной формы эндопероксида рубрена. В качестве расчетной (оптимизированной) структуры стабильного эндопероксида рубрена рассматривали местоположение кислорода в одном из центральных колец сопряжения аценового ядра, смотри рис. 5.

Рис. 5. Местоположение молекулы кислорода в бензольном кольце сопряжения аценового ядра рубрена.

На рисунке 6. Приведены результаты квантово-химического расчета спектра инфракрасного поглощения и рамановского спектра структуры стабильного эндопероксида рубрена

Рис. 6. Вычисленые значения полос поглощения в ИК и рамановской области спектра для стабильного эндопероксида рубрена.

Обращает на себя внимание интенсивная линия в рамановском спектре ω=1382.5 см-1 (получен при домножения значения 1425.23 см-1 на корректирующий коэффициент 0.97), которая наиболее сильно проявляется на спектре полученном в эксперименте, смотри рис. 5. В области терагерцовых частот для стабильной эндопероксида рубрена также наблюдается качественное согласие данных эксперимента (рис. 5) и результатов расчета, смотри рис. 8.

Рис. 7. Вычисленые значения полос поглощения ик терагерцовой рамановской области спектра для стабильного эндопероксида рубрена.

Результат квантово-химического расчета молекулы рубрена приведены на рис. 8.

Рис. 8. Вычисленные значения полос в терагерцовой рамановской области спектра для рубрена.

Выводы

1. Рассмотрен механизм образования эндопероксида рубрена под воздействием излучения лазера λ-785 нм в атмосфере кислорода.

2. Выполнено термическое (+80 град С) разложение эндопероксида рубрена. Методом терагерцовой спектроскопией комбинационного рассеяния света было зарегистрировано восстановление эндопероксида рубрена до исходного рубрена. При нагревании эндопероксида рубрена хемилюминесцентным методом было обнаружено также образование синглетного кислорода.

3. Образующийся фотохимическим путём, эндопероксид рубрена, может быть использован для генерации синглетного кислорода. что может важным стать звеном метрологическом обеспечении средств измерения при контроле синглетного кислорода в воздухе.

Исследование физико-химических основ синтеза озона, разработка методов контроля его концентрации в газовой и водной средах, а также конструкторские разработки озонотерапевтической аппаратуры, применимой в различных областях медицины. Озонотерапия относится к физиотерапевтическим методам лечения, лечебным фактором (относящимся к измененной или особой воздушной (газовой) среде) выступает кислородно-озоновая смесь ("медицинский озон"). Многочисленные клинические исследования выявили высокую эффективность озонотерапии как в качестве монометода, так и в составе комплексной терапии хирургической, терапевтической, акушерской и гинекологической патологии, кожных болезней и для коррекции некоторых косметических недостатков. На кафедре эстетической медицины ФПКМР РУДН в учебную программу включены теоретические аспекты озонотерапии и практические занятия по освоению и тренировке лечебных методик.

Совершенствование медицинской техники, позволяющее точно дозировать минимальные концентрации озона в кислородно-озоновой смеси разработка новых методик значительно расширяют перспективы для применения озонотерапии в различных областях медицины. Особые перспективы озонотерапии могут быть связаны с ее применением в области дерматокосметологии, что обусловливается уникальными биологическими эффектами озона, многообразием лечебных методик, безопасностью и безвредностью озонотерапии, а также экономичностью этого метода по сравнению с другими, существующими на рынке косметических услуг.

Первоначально инъекции кислородно-озоновой смеси в эстетической медицине начали широко применять итальянские дерматокосметологи для лечения отечно-фибросклеротической панникулопатии (т.н. "целлюлит"), в основе патогенеза которой лежит нарушение микроциркуляции в зонах наибольшего скопления подкожной жировой клетчатки . В настоящее время инъекционная подкожная озонотерапия занимает важное место B коррекции данной косметической патологии. Кислородно-озоновая газовая смесь с высокой концентрацией озона также применяется для элиминации телеангиэктазий. При этом кислородно-озоновая смесь с высокой концентрацией озона в очень небольших количествах вводится микроиглой непосредственно в просвет сосуда, происходит окисление мембран эндотелиоцитов, что приводит к полному и бесследному исчезновению телеангиэктаза. Патогенетически обосновано использование озонотерапии для лечения очаговой алопеции. Наиболее эффективно при алопеции сочетание системных методик озонотерапии и подкожных инъекций газовой смеси в область очагов алопеции. Около 30 лет назад итальянские дерматокосметологи начали применять подкожные инъекции озона для коррекции не только целлюлита, но и мимических морщин лица и шеи, в том числе в сочетании с хирургической пластикой лица и век. Клинические наблюдения этого опыта демонстрировали прекрасные результаты: кожа лица и шеи становилась более гладкой и эластичной, улучшались се тургор и цвет. Эффективность послеоперационной реабилитации с включением озонотерапии составляла, по данным отечественных и зарубежных дерматологов, 100% и выражалась в уменьшении болезненности, гиперемии, отека и инфильтрации тканей. Вспомогательными методикой при применении озонотерапии в дерматокосметологии служила озонидотерапия: аппликации и массаж с озонированными маслами. Озонотерапия, в частности, ее инъекционная методика характеризуется хорошей переносимостью, простотой применения и практически полным отсутствием побочных эффектов.

Основанием озонотерапии применения коррекции инволюционно измененной возрастной кожи служит доказанный биологический эффект озонотерапии, заключающийся в нормализации баланса про-и антиоксидантной активности организма, а также в увеличении кислородной емкости плазмы и снижении степени выраженности тканевой гипоксии, улучшении микрогемоциркуляции и реологических свойств крови. В настоящее время среди различных теорий старения кожи наиболее убедительной представляется свободно- радикальная теория, согласно которой усиление свободно-радикальных процессов, повреждающее действие избыточно накопившихся в клетках свободных радикалов на мембраны и другие субклеточные структуры на фоне истощения собственной системы антиоксидантной защиты являются основными механизмами реализации процесса старения кожи. Способность озонотерапии усилить активность антиоксидантной системы, нормализовать микроциркуляцию в коже, и, соответственно. ее кислородоснабжение, улучшающих барьерную функцию, как следствие снизить активность фибротических процессов в сосудистой стенке в сочетании с отсутствием нежелательных побочных эффектов (формирование гипер и гипопигментаций, рубцов; инфицирование и др.) делает этот метод предпочтительным при выборе способа коррекции возрастных изменений кожи, особенно на ранних этапах их формирования, а также в профилактических целях.

При отечно-фибросклеротической панникулопатии (ОФСП, или т.н. "целлюлит") локальное нарушение жирового обмена приводит к сдавлению кровеносных и лимфатических сосудов, что вызывает прогрессирующие микроциркуляторные нарушения в дерме гиподерме и нарастание тканевой гипоксии. Это результируется в метаболические изменения в жировой и соединительной ткани, выражающиеся в увеличении в подкожном жире доли насыщенных жирных кислот, склерозировании междольковых перемычек и формированием плотных подкожных узлов, что клинически проявляется нездоровым сероватым цветом кожи над пораженными областями (бедра, ягодицы, живот) и узловатыми неровностями гиподермы. Основные биологические эффекты озона обусловливают его высокую эффективность для коррекции ОФСП, а, учитывая, практически полное отсутствие побочных эффектов к данному методу коррекции и малое число противопоказаний, озонотерапия может считаться методом выбора при коррекции ОФСП.

Согласно современным представленням о действии медицинского озона на организм человека, основными биологическими эффектами. обеспечивающими саногенетическое действие озонотерапии, являются:

метаболический эффект, реализуемый через адаптационно- компенсаторную перестройку антиоксидантной системы организма путем активации ее ферментативного звена. При попадании озона в организм опосредованно, через глютатионовую систему, контролируется уровень энергетического обмена B клетке H интенсивность процессов детоксикации в печени (через систему цитохрома Р450); таким образом, обеспечиваются антиоксидантное и антистрессорное действия озона;

ангиотропный эффект озона, заключающийся в повышении эффективности функционирования микроциркуляторного русла:

- антигипоксический эффект, реализуемый через повышение эффективности кровообращения: кислородоснабжения 38 счет активации

- иммунотропный эффект, заключающийся в мобилизирующем действии озона на состояние клеточного и гуморального звеньев иммунитета.

Основной методикой озонотерати, терати, наиболее часто применяемой в области дерматокосметологии, является инъекционная озонотерапия, т.е. введение в гиподерму кислородно-озоновой газовой смеси с заданной концентрацией озона (рис. 1). Для повышения эффективности воздействия в ряде случаев используются лечебные технологии системного действия, наиболее часто: внутривенные инфузии озонированного физиологического раствора (рис. 2).

Рисунок. І. Наполнение пластикового мешка кислородно-озоновой газовой смесью и процедура подкожного введения кислородно-озоновой газовой смеси.

Рисунок. 2. Озонирование физиологического раствора

Группе женщин (п-20) в возрасте от 30 до 50 лет с целью коррекции возрастных изменений кожи лица и шеи проводилась подкожная инъекционная терапия 1 раз в неделю, всего №. 4-5). Визуально клинический эффект улучшения состояния кожи выражался B повышении тонуса кожи, коррекции овала лица, выравнивания цвета кожи; уменьшения количества видимых морщин и сухости кожи. Отмеченные эффекты оставались стабильными в течение не менее, чем 3-4 месяцев. Клинический эффект подтверждался инструментальными методами оценки состояния кожи. Ультразвуковое исследование кожи после озонотерапии выявило выравнивание, утолщение, уплотнение и равномерность эхоструктуры эпидермиса. Состояние эпидермиса женщин старше 40 лет на ультразвуковых снимках после курса коррекции, таким образом, приближалось к таковому у лиц молодого возраста. При этом уплотнение и выравнивание эпидермиса было настолько наглядным, что отмечалось даже невооруженным глазом (рис.3).

Рисунок. 3. УЗ-картина инволюционно измененной кожи лица.

а) исходное состояние. б) после озонотерапии

Также, группе женщин (п-26) с явлениями ОФСП непосредственно в пораженные области проводилось подкожное введение кислородно- озоновой смеси с концентрацией озона 5-10 мг/л с кратностью 1-2 раза в неделю. Основной клинический эффект заключался в улучшении состояния кожи и подкожной жировой клетчатки и уменьшении объема бедер за счет сглаживания локальных жировых отложений.

Рисунок. 4. УЗ-картина ОФСП а) до и б) после озонотерапии

Ультразвуковое исследование состояния кожи и подкожной жировой клетчатки пораженных областей показало, что ОФСП характеризуется увеличением длины и нарушением формы дермо-гиподермальной границы, что клинически проявляется в виде характерных неровностей подкожной жировой клетчатки. После проведения курса озонотерапии отмечалось сглаживание и уменьшении протяженности дермо- гиподермальной границы в среднем на 42,7%; благодаря выравниванию подлежащей гиподермы толщина дермы становилась практически одинаковой на всем протяжении исследуемого поля (рис. 4).

Полученные результаты показали, что влияние озонотерапии на механизмы старения кожи носит патогенетический характер. Многочисленные биохимические и патофизиологические исследования саногенетического действия озона убедительно обосновывают полученный нами убедительный эффект озонотерапии при применении ее для коррекции инволюционных возрастных изменений кожи и ОФСП (т.н. "целлюлита"). Озонотерапия оказывает положительное влияние на структурные и функциональные показатели инволюционно измененной кожи и локальных изменений гиподермы. В результате проведения курса инъекционной озонотерапии по данным УЗ-сканирования улучшается эхоструктура эпидермиса H сглаживание дермо- гиподермальной границы, что объясняет визуальное улучшение состояния кожи.

Клиническая эффективность озонотерапии в коррекции наиболее часто встречающихся косметических нарушений, объективно подтвержденная современными методами исследования кожи, подтверждают перспективность применения озонотерапии в дерматокосметологии. Инъекционная озонотерапия с успехом может применяться для коррекции и профилактики инволюционных изменений кожи и ОФСП. Повышению эффективности и пролонгации омолаживающего эффекта могут способствовать дополнительные поддерживающие процедуры, проводимые после окончания основного курса коррекции, а также применение средств ухода из антивозрастной и антицеллюлитной линий лечебной косметики, содержащей озониды.