BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA CHEMICKÁ ÚSTAV FYZIKÁLNÍ A SPOTŘEBNÍ CHEMIE FACULTY OF CHEMISTRY INSTITUTE OF PHYSICAL AND APPLIED CHEMISTRY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA CHEMICKÁ ÚSTAV FYZIKÁLNÍ A SPOTŘEBNÍ CHEMIE FACULTY OF CHEMISTRY INSTITUTE OF PHYSICAL AND APPLIED CHEMISTRY DIFÚZE V HUMINOVÝCH GELECH DIFFUSION IN HUMIC GELS. BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MICHAL KRÁLOVIČ doc. Ing. MARTINA KLUČÁKOVÁ, Ph.D. BRNO 2015

2 Vysoké učení techncké v Brně Fakulta chemcká Purkyňova 464/118, Brno 12 Zadání bakalářské práce Číslo bakalářské práce: FCH-BAK0816/2014 Akademcký rok: 2014/2015 Ústav: Ústav fyzkální a spotřební cheme Student(ka): Mchal Královč Studjní program: Cheme a chemcké technologe (B2801) Studjní obor: Spotřební cheme (2806R002) Vedoucí práce doc. Ing. Martna Klučáková, Ph.D. Konzultant: Název bakalářské práce: Dfúze v humnových gelech Zadání bakalářské práce: 1. Rešerše na téma transportní vlastnost humnových gelů s ohledem na dfúz kovových ontů. 2. Výběr metod pro studum transportních vlastností humnových gelů. 3. Vlastní expermenty. 4. Zhodnocení výsledků a závěr. Termín odevzdání bakalářské práce: Bakalářská práce se odevzdává v děkanem stanoveném počtu exemplářů na sekretarát ústavu a v elektroncké formě vedoucímu bakalářské práce. Toto zadání je přílohou bakalářské práce Mchal Královč doc. Ing. Martna Klučáková, Ph.D. prof. Ing. Mloslav Pekař, CSc. Student(ka) Vedoucí práce Ředtel ústavu V Brně, dne prof. Ing. Martn Weter, Ph.D. Děkan fakulty

3 ABSTRAKT: Tato bakalářská práce se zabývá studem dfúze ontů těžkých kovů v humnových gelech. Úkolem bylo ověřt, do jaké míry má methylace humnových kyseln vlv na adsorpc kovových ontů. Jako kovové onty byly použty nkelnaté a měďnaté katonty. Data byla získána spektrofotometrckým měřením absorbance roztoků ve zdrojové a příjmové komoře dfúzní cely. ABSTRACT: Ths bachelor thess s focuses on study of heavy metals dffuson n humc gels. The objectve of the work was to verfy, whether the dffuson s nfluenced by methylaton of humc acd. Cuprc and nckel caton was used n ths thess. Absorbance of solutons n acceptor and donor dffuson cell part was measured spektrofotometrcally. KLÍČOVÁ SLOVA: humnové, kyselny, dfúze, nkl, měď, hydrogel, cela. KEYWORDS: humc, acd, dffuson, nckel, copper, hydrogel, cell. 3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuj, že jsem tuto bakalářskou prác vypracoval samostatně a všechny použté lterární zdroje jsem odctoval správně a úplně. Bakalářská práce je z hledska obsahu majetkem Fakulty chemcké VUT v Brně a může být využta ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana FCH VUT.... Mchal Královč Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Martně Klučákové, Ph.D. za cenné rady, energ a čas. Rád bych také poděkoval rodně a přátelům za psychckou podporu, kterou m poskytoval v těžkých chvílích. 4

5 OBSAH 1. ÚVOD TEORETICKÁ ČÁST HUMINOVÉ LÁTKY Vznk Struktura a vlastnost Dělení Využtí Humnové kyselny Vazebné možnost humnových kyseln GELY Vznk a dělení Vlastnost a využtí Hydrogely na báz humnových látek DIFÚZE Pops děje Fckovy zákony a známá řešení Dfúze v celách SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY PRAKTICKÁ ČÁST POUŽITÉ PŘÍSTROJE A VYBAVENÍ POUŽITÉ CHEMIKÁLIE PŘÍPRAVA ROZTOKU HUMINOVÉ KYSELINY PŘÍPRAVA DIFÚZNÍCH ROZTOKŮ PŘÍPRAVA AGAROSOVÝCH HYDROGELŮ Příprava agarosových hydrogelů bez přídavku humnové kyselny Příprava agarosových hydrogelů s přídavkem humnové kyselny PŘÍPRAVA DIFÚZNÍCH CEL MĚŘENÍ ABSORBANCE ROZTOKŮ VÝSLEDKY A DISKUSE CHARAKTERIZACE HUMINOVÝCH KYSELIN DIFÚZNÍ EXPERIMENTY

6 Dfúzní expermenty s agarosovým gelem bez humnových kyseln Dfúzní expermenty s agarosovým gelem s obsahem nemethylovaných humnových kyseln Dfúzní expermenty s agarosovým gelem s obsahem methylovaných humnových kyseln Srovnání výsledků dfúzních expermentů v různých typech hydrogelů ZÁVĚR SEZNAM CITOVANÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK

7 1. ÚVOD Humnové látky jsou přírodní látky organckého původu. Vznkají rozkladem rostlnných č žvočšných zbytků a jsou obsaženy v půdách nebo přírodních vodách, kterým dávají charakterstckou barvu. Jelkož se humnové látky vyskytují v přírodě, stávají se z nch levné a snadno dostupné látky, které už našly nebo hledají své uplatnění v zemědělství, medcíně nebo v ekolog. Skládají se ze tří frakcí: humny, fulmnové kyselny a humnové kyselny. Humnové kyselny hrají v žvotním prostředí důležtou rol př regulac chování a moblty kovů, jako jsou základní stopové prvky nebo znečšťující těžké kovy. Jsou to složté vysokomolekulární sloučenny chnonových nebo fenolckých rysů s rozsahem relatvní molekulovou hmotností od několka set do několka mlonů. Ve své struktuře obsahují řadu funkčních skupn, avšak přesná struktura těchto kyseln dosud nebyla potvrzena. Náplní této práce je studum dfúze nkelnatých č měďnatých ontů v humnovém gelu metodou dfúzních cel. Jako dfúzní přepážka sloužl čstý agarosový gel nebo gel s obsahem humnové kyselny. Díky velkému počtu funkčních skupn mají tyto kyselny velkou afntu vůč měd a nklu, proto byly použty humnové kyselny v nemethylované a methylované formě. 7

8 2. TEORETICKÁ ČÁST 2.1. Humnové látky Humnové látky jsou hlavní součástí přírodní organcké hmoty. Jsou obsaženy v půdě a vodě, a také v geologckých organckých ložscích, jako jsou jezerní sedmenty, rašelna a hnědé uhlí. V půdních a vodních ekosystémech mají vlv na chem, koloběh a bologckou dostupnost prvků, stejně jako dopravu a degradac czorodých a přírodních organckých látek. Přspívají k charakterstckému hnědému až černému zabarvení půdy. Ve sladkovodních jezerech, rybnících a řekách je ze všech rozpuštěných organckých materálů as polovna humnových látek, díky tomu mají vodní systémy žlutý až hnědý nádech. Humnové látky jsou velce důležtým složkam půdy, které ovlvňují fyzkální a chemcké vlastnost, a tím například zlepšují úrodnost půdy. [14] Vznk Humnové látky obecně vznkají procesem zvaným humfkace, tedy přeměnou surových organckých látek na půdní humus. Vlvem půdní mkrofauny a mkroflóry dochází ke složtým přeměnám odumřelých organckých látek. Přesný mechansmu vznku humnových látek není dosud zcela objasněn. Exstuje mnoho teorí jejch vznku například degradační nebo syntetcká teore. [2, 4, 5] Degradační teore Degradační teore je založena na degradac odumřelého rostlnného materálu mkrobálním rozkladem, kdy z těžko rozložtelných látek vznkají vysokomolekulární humny. Ty se pak postupně oxdují na humnové kyselny, dále na fulvokyselny a menší molekuly. Degradační proces může pokračovat, až jsou humnové kyselny postupně rozloženy na oxd uhlčtý a vodu. [5] Syntetcká teore Tato teore popsuje vznk humnové kyselny z malých molekul (karboxylové kyselny, fenoly atd.), které jsou produktem degradace rostlnných tkání. Oba tyto procesy pravděpodobně probíhají zároveň a záleží na prostředí, která z těchto teorí bude upřednostněna. [5] Felbeck uvádí další čtyř hypotetcké teore vznku humnových látek Hypotéza vznku změnou rostln Část rostlnných tkání jako například zdřevnatělé tkáně jsou odolné mkrobálnímu rozkladu a jsou v půdě pozměněny pouze povrchově za vznku humnových látek. Charakter humnových látek se slně odvíjí od povahy původního rostlnného materálu. Během první fáze humfkace jsou vytvořeny humnové kyselny a humny s vysokou molekulovou hmotností. Ty se následně rozkládají na fulvokyselny a nakonec na CO 2 a vodu. [21] 8

9 Hypotéza chemcké polymerace Rostlnné materály jsou mkroby rozkládány na malé molekuly, které jsou mkroby využívány jako zdroj uhlíku a energe. Mkroby syntetzují fenol a amnokyselny, jež jsou vylučovány do okolního prostředí, kde jsou dále oxdovány a polymerzovány na humnové kyselny. Povaha původního rostlnného materálu nemá vlv na typ humnové látky, která je tímto procesem vytvořena. [21] Hypotéza vznku buněčnou autolýzou Humnové látky jsou produktem autolýzy zbytků rostln a mkrobálních buněk. Výsledná buněčná směs (cukry, amnokyselny, fenoly a další aromatcké složky) kondenzuje a polymerzuje pomocí volných radkálů. [21] Hypotéza vznku mkrobální syntézou Mkroby využívají rostlnné tkáně jako zdroj uhlíku a energ k vntrobuněčné syntéze vysokomolekulárních humnových látek. Po úmrtí mkrobů dojde k uvolnění těchto látek do půdy. Vysokomolekulární látky tedy reprezentují první fáz humfkace s následující mmobuněčnou degradací na humnové látky a dále na CO 2 a vodu. [21] S původem a vznkem humnových látek souvsí jejch obsah v přírodních materálech, které jsou uvedeny v tabulce 1. [4] Tabulka 1: Přehled obsahu humnových látek v různých přírodních zdrojích [4] Struktura a vlastnost přírodní zdroj obsah humnových a fulvnových kyseln [hm. %] Leonardt/Humát Černá rašelna Hnědé uhlí Sapropelová rašelna Hnůj 5 15 Kompost 2 5 Půda 1 5 Kal 1 5 Černé uhlí 0 1 Humnové látky jsou vysoce chemcky reaktvní a nenáchylné k bodegradac. Přesné vlastnost a struktury daného vzorku humnové látky závsí na zdroj a konkrétních podmínkách extrakce. Ncméně, průměrné vlastnost jednotlvých frakcí humnových látek z různých zdrojů s jsou nápadně podobné. [14] Znalost základní struktury humnových látek je nutná pro pochopení úlohy a funkce těchto látek v žvotním prostředí. Vzhledem k mnohočetnost molekul složek, z nchž se humnové látky skládají, společně s mnoha typy vazeb, kterým jsou vázány dohromady, je odvození přesného strukturního vzorce praktcky nemožné. Avšak bylo vytvořeno několk hypotetckých strukturních vzorců, které by měly sloužt jako vodítko k dalšímu bádání. Hlavní funkce těchto vzorců jsou: prostředek pro zastupování průměrných vlastností 9

10 humnových látek, pomoc př vytváření nových hypotéz směrem k jejch struktuře a novým expermentům a pro lustrac mechansmů vázání kovových ontů a xenobotk. [20] Hlavní prvky tvořící humnové a fulvnové kyselny jsou uhlík, vodík, dusík, kyslík a síra, avšak zastoupení těchto prvků závsí na zdroj a původu odebraných vzorků. Molekulová hmotnost humnových látek se pohybuje zhruba od do První hypotetcké struktury byly předloženy v roce 1972 Stevensonem a o rok pozděj Harworthem. Tyto struktury byly hlavně díky pokroku v nstrumentální analýze nahrazeny novým a přesnějším modely struktur. Jedna z mnoha uváděných struktur humnové kyselny je na obrázku 1, kde za R můžeme dosadt aryl, alkyl nebo aralkyl. [23] Dělení Obrázek 1: Hypotetcká struktura humnové kyselny podle Stevensona (1982) [23] Humnové látky v půdách a sedmentech lze rozdělt do tří hlavních frakcí: humnové kyselny, fulvokyselny a humny. Základní dělení můžeme vdět na obrázku 2 a 3. Humnové kyselny představují frakc, která není rozpustná v kyselých a neutrálních roztocích. Rozpouští se pouze v alkalckém prostředí, tedy př vyšších hodnotách ph. Můžeme j tedy získat alkalckým loužením a následným okyselením výluhu. Fulvokyselny nebo také fulvnové kyselny jsou na rozdíl od humnových kyseln rozpustné ve vodě v celém rozsahu ph. Zbarvení fulvokyseln je světlé žluté až žlutohnědé. Obrázek 1: Vlastnost humnových látek [24] 10

11 Humny se ve vodě nerozpouští, a to an př kyselém nebo alkalckém ph. Tyto látky mají černou barvu. [14, 23] Je známo, že fulvokyselny jsou mnohem kyselejší než kyselny humnové. To je zapříčněno vyšším obsahem funkčních skupn kyselé povahy, především karboxylovým kyselnam. Dalším významným rozdílem je výskyt kyslíku ve struktuře. Fulvnové kyselny obsahují více kyslíku v karboxylových, hydroxylových a ketonových skupnách, zatímco v humnových kyselnách tvoří kyslík strukturní složku pomocí éterových a esterových vazeb. [4, 22] Využtí Humnové látky za svou poměrně krátkou dobu zkoumání našly své uplatnění jak v tradčním zemědělství, tak v průmyslu, medcíně nebo oblast žvotního prostředí. To je způsobeno fnanční dostupností a specfckým vlastnostm humnových látek Zemědelství Obrázek 2: Dělení humnových látek na základě rozpustnost [22] Vlvy organckých zbytků na vlastnost půdy jsou už tradčně známy. Stmulují růst rostln a čnnost půdních mkroorgansmů. Humnové látky poztvně ovlvňují strukturu půdy, obsah žvn a zadržování vody v půdě, což je základ úrodné půdy. V dnešní době se přdávají jako adtva do hnojv, a to v podobě humátu. Humát vápenatý se používá na zvýšení úrodnost půdy, humát amonný stmuluje růst rostln a humát sodný podporuje konkrétně lsty rostln. Působí také na zdraví zvířat. Byly prokázány poztvní účnky na muntní nebo zažívací systém. Ovlvňují růst masných plemen a zvládání stresu. Mají nhbující účnky na růst bakter a hub, tím snžují hladnu mykotoxnů v krmvech. Ovšem potvrdly se negatvní účnky například na selata. Doplnění krmva nosnc o humnové kyselny mělo významný vlv na spotřebu krmva a využtí krmva. Také došlo k početnímu a hmotnostnímu nárůstu vajec. [3, 16, 22] 11

12 Průmysl Humnové látky s našly využtí v mnoha průmyslových odvětvích. Ve stavebnctví se používají v betonu jako přísada pro řízení rychlost tuhnutí nebo k obarvení pálených tašek. Dále poslují mechanckou pevnost nezpracované keramky nebo upravují lcí vlastnost keramky. Ve výrobě plastckých hmot slouží jako barvva. Humnové látky nalezneme také v papírenském průmyslu. Používají se v různých výrobních procesech, jako například u výroby vodvého papíru č papíru s vysokou pevností v tahu. [22] Sorbenty na báz humnových látek S rostoucí spotřebou těžkých kovů, roste jejch koncentrace v přírodních odpadních vodách, povrchových podzemních, ale také v půdách č kalech. To má negatvní dopad na celé žvotní prostředí. Se zpřísňujícím se krtér vymezujícím jejch obsah byly hledány nové technologe uplatntelné v odpadovém hospodářství. Známé postupy na odstraňování těžkých kovů bývají ve větším měřítku drahé nebo nedostatečně účnné. Sorpční vlastnost nízkoenergetckého uhlí jsou dány díky karboxylovým a fenolckým skupnám humnových látek. Dále se ukázalo, že tento sorbent je vhodné kombnovat s chtosanem, kterým je možné stablzovat vyloužené humnové látky a jejch komplexy s kovy. Byly vyvnuty fltry na báz humnových látek, které by mohly pomoc s čštěním komunálních a průmyslových odpadních vod. Kromě odstranění barvv, olejů a těžkých kovů, jako je kadmum, rtuť, olovo, nkl č měď, mohou díky svým selektvním vlastnostem odstrant také radoaktvní prvky z vod jaderných elektráren nebo pomoc s lkvdací munce a bojových chemckých látek. [6, 22] Bomedcínské aplkace Humnové látky produkovány v komerčním měřítku jsou používány ve veternární a humánní medcíně. Do dnešní doby bylo publkováno několk studí zaměřených na vlv humnových látek na medcínu. Například bylo potvrzeno, že pokud byly potkanům preventvně podávány humnové kyselny, výrazně se urychll proces hojení žaludečních a duodenálních vředů, které byly vyvolány ethanolem. Velký zájem o využtí půdního humusového extraktu s komplexy amnokyseln a vtamnu B je především v oblast kosmetky a farmaceutky, a to díky antvrovým, profbrnolytckým, protzánětlvým a estrogenním účnkům, které jsou těmto látkám přsuzovány a představují nové možnost pro jejch lékařské aplkace. Účnky vodoléčby a balneoterape jsou spojeny s humnovým látkam obsaženým ve vodě. Pomocí specální humnové terape, obsahující především fulvokyselny, došlo také k potlačení nádorových onemocnění souvsejících s rakovnotvorným vry. Na druhou stranu humnové kyselny působí jako toxcký faktor pro mnoho savčích buněk. To by mohlo být způsobeno redoxním vlastnostm humnových kyseln, které mohou železté katonty redukovat na katonty železnaté. Tím by došlo k narušení oxdačně-redukční rovnováhy a k vyvolání oxdačního stresu v bologckém systému. [22] Humnové kyselny Humnové kyselny jsou jednou z nejvýznamnějších frakcí humnových látek. V půdě jsou důležté pro přenos žvn z půdy do rostln, napomáhají rozpadu jílu a zhutnělé půdy, zvyšují 12

13 klíčvost semen, zadržování vody v půdě, stmulují rozvoj populace mkroflóry. Přesná struktura stejně jako fyzkální a chemcké vlastnost jsou specfcké podle původu zdroje humnových kyselny a způsobu zolace. Jsou to vysokomolekulární sloučenny s amorfním charakterem. Tyto slabě dsocované vícesytné organcké kyselny jsou v etanolu nerozpustné, stejně jako v kyselém prostředí (ph < 2). Jejch základní strukturní jednotky jsou aromatcké cykly bfenolckých nebo trfenolckých typů. Kostra humnových kyseln je tvořena především alkylaromatckým útvary, které jsou spojeny kyslíkem nebo dusíkem. Obsahují charakterstcké funkční skupny, z nchž hlavním jsou karboxylové, hydroxylové č fenolové, ketonové a chnodní skupny. Dále se vyskytují například methylové, sulfdové, alkoxy, amnové tercální a sekundární skupny. [17, 20, 25] Vazebné možnost humnových kyseln Humnové kyselny mají schopnost nteragovat s praktcky všem mnerálním onty, mkrobálním povrchy, anorganckým a organckým sloučennam, které se vyskytují v jejch přrozeném okolí. [4] Jestlže máme přblžnou představu o struktuře a vlastnostech humnových kyseln, můžeme se pokust odvodt některé typy vazeb. [7] Iontová vazba Vznká mez dsocovaným onty a skupnam obsaženým v humnových kyselnách působením elektrostatckých sl. Vznk této vazby se předpokládá především u alkalckých kovů. [7] Koordnační vazba Tento typ vazby jsou humnové kyselny schopny vytvářet především s onty kovů. Potencál vznku koordnační vazby je daný zastoupením karboxylových, fenolckých a dalších funkčních skupn ve struktuře humnových kyseln. Vznk této vazby je ovlvněný hodnotou ph a tím mírou dsocace jmenovaných funkčních skupn. V slabě kyselé oblast dsocují hlavně karboxylové skupny. Př vzrůstu ph nad 7 dochází také k dsocac fenolckých skupn, proto stablta vznkajících komplexů vzrůstem ph stoupá. [7] Kovalentní vazba Kovalentní vazby mohou vznkat bokatalytcky. V metabolcky aktvním systému byla zjštěna přítomnost zabudovaného antracenu kovalentní vazbou do struktury humnové kyselny. Dále může vznkat kovalentní vazba bez využtí enzymové katalýzy. [7] Vodíkový můstek Na základě dosud přesně neznámé struktury humnové kyselny je možné předpokládat výskyt vodíkových vazeb. Ve struktuře se mohou vyskytovat také amdové, lakramové nebo ntrlové skupny. Tyto vazby se mohou významně podílet na nterakc humnových kyseln a kontamnanty, a to přes svou nízkou energ. [7] 13

14 Hydrofobní nterakce Tyto nterakce vychází z působení van der Waalsových sl nebo přesunu π-elektronů. Vznk vazby nastává př kontaktu nepolárních skupn nesených molekulam nacházejícím se ve vodném roztoku. Hydrofobní nterakce jsou nejčastěj předpokládané př nterakcích humnových kyseln s hydrofobním a alfatckým kontamnanty, které v důsledku této nterakce ztrácí část své toxcty. [7] 2.2. Gely Gely jsou látky, ve kterých jsou dsperzní částce spojeny trojrozměrnou sítí. Touto sítí prostupuje dsperzní prostředí. Síly, které působí adhez dsperzních částc, mohou být chemcké fyzkální. Síťovtá struktura gelu vznká spojováním částc převážně kolodního charakteru. [8, 9] Vznk a dělení Pokud odstraníme z gelu dsperzní prostředí, vznká xerogel. Tedy systém, který obsahuje pouze dsperzní podíl. Původní gel se označuje jako lyogel. Lyogely dělíme podle rozpouštědla na hydrogely (kdy dsperzním prostředím je voda), nebo organogely, tedy gely z organckých rozpouštědel. Gely se dělí podle chování xerogelu ve styku s kapalnam na gely reverzblní a reverzblní. [8, 9] Gely reverzblní (elastcké) Reverzblní gely lze vysoušet na xerogel. Tento xerogel je schopný přecházet do původního dsperzního prostředí. Struktura gelu je tvořena sítí makromolekulárních řetězců spojených uzly. Vznkají bobtnáním z xerogelů nebo z roztoků vysokomolekulárních látek gelací. Gelací mohou vznkat fyzkálně chemcky zesíťované gely. U chemcky zesíťovaného gelu dochází k polymerac monomerů nebo lneárních polymerů, které se zesíťují pomoc čndla. Vazby v gelu jsou velm pevné, proto je převedení gelu zpět na roztok obtížné a došlo by k porušení chemckých vazeb, které vznkly př gelac. Fyzkálně zesíťované gely vznkají působením van der Waalsových sl, polárních sl nebo vodíkových můstků. Tvoří je do uzlů spojené úseky polymerních řetězců. Jedna makromolekula může být zapojena do několka uzlových oblastí. [10] Obrázek 4: Reverzblní gely vytvořené (a) chemckým vazbam, (b) fyzkálním amorfním spoj, (c) fyzkálním spoj s krystalckým oblastm, (d) geometrckým síťováním [10] 14

15 Př bobtnání dochází k pohlcování nízkomolekulárního rozpouštědla za vznku lyogelu. Je to samovolný děj a podle stáda, ve kterém se bobtnání zastaví, se dělí na omezené a neomezené. U omezeného bobtnání nastává rovnováha a xerogel už nepohlcuje další kapalnu. K neomezenému bobtnání dochází, pokud je přítomno dostatečné množství rozpouštědla a bobtnání se nezastaví ve stavu lyogelu. Makromolekuly se uvolňují a přecházejí do roztoku. O tom, zda bude gel bobtnat neomezeně nebo omezeně, rozhodují fyzkální podmínky (teplota, tlak), pevnost uzlů, afnta polymeru k rozpouštědlu nebo struktura gelu. Př změně podmínek může gel přecházet z jedné kategore do druhé. [8] Bobtnání polymeru v kapalně bývá kvanttatvně popsováno těmto velčnam: Stupeň nabobtnání Q je relatvní přírůstek hmotnost gelu př bobtnání, který je defnovaný jako hmotnost kapalny pohlcené jednotkou suchého xyrogelu. m m0 Q m 0 V, (1) m kde m je hmotnost bobtnajícího gelu v čase od počátku bobtnání, m 0 je počáteční hmotnost xerogelu, je hustota kapalny a V je nárůst objemu gelu. [28] Objemový koefcent bobtnání udává poměr objemu nabobtnaného gelu k objemu gelu v suchém stavu. Koefcent lze přepočítat na stupeň nabobtnání pouze, nedochází-l k objemové kontrakc př bobtnání. [28] Bobtnací tlak je míra afnty gelu k bobtnání v rozpouštědle. Pokud budeme působt na gel přetlakem určté velkost, můžeme bobtnání zastavt. To znamená, že gel bobtná pouze tehdy, působíme-l na něj tlakem menším, než je bobtnací tlak. [28] Gely reverzblní Ireverzblní gely mají přblžně stejný objem v původním lyogelu a ve vysušeném stavu, přesto s zachovávají svou pórovtost. Vznkají gelací lyofobních solů. Narušením ochranné vrstvy dsperzních částc dochází ke vzájemnému spojování a vznku prostorové sítě, v mezerách sítě je uzavřeno dsperzní prostředí. Př tvorbě gelu záleží na tvaru částc dsperzního podílu a koncentrac. Nejčastěj dochází k zesíťování právě na hranách a hrotech malých částc. Koncentrace dsperzního podílu přtom musí dosáhnout určté mnmální hodnoty, pod kterou je možná jen koagulace. Dalším faktory, které ovlvňují rychlost a vlastnost gelu, je teplota a mechancké působení. Vzrůst teploty může do jsté míry zrychlt průběh gelace, avšak př vyšších teplotách může gel opět přecházet v sol. Mechanckým působením, například mícháním, dochází k bránění tvorby gelu. [9, 10] 0 Obrázek 5: Ireverzblní gel s (a) zometrckým, (b) jehlcovtým, (c) destčkovtým částcem [10] 15

16 Vlastnost a využtí Mechancké vlastnost Gely jsou schopné odolávat tečnému napětí až do určté hodnoty, která závsí na počtu uzlů a jejch pevnost. Pod tuto hodnotu se gel chová jako elastcké tuhé těleso. Z toho vyplývá, že velce elastcké budou gely s kovalentním uzly, které obsahují v jednotce objemu malý počet vazeb. S rostoucím počtem vazeb v polymeru se zmenšuje možnost změny tvaru molekuly a pohyblvost vznklé prostorové sítě. Některé reverzblní nereverzblní gely s fyzkálním spoj mají txotropní vlastnost, proto je možné gel opět převést mechanckým účnky (např. protřepáním) na sol, pokud necháme tekutý sol odstát, dojde k opětovné gelatnzac. Tento jev se jmenuje txotrope a je způsoben slabým vazbam mez částcem. Jestlže gel obsahuje různě pevné uzly, dojde rozpadnutí na velké celky, které se nemohou spojt a vytvořt strukturu s původním vlastnostm. Mechanckým namáháním se naruší pouze nejslabší uzly. [8] Elektrcká vodvost a dfuzvta Jestlže dsperzní prostředí gelu obsahuje dsocované nízkomolekulární elektrolyty, je elektrcká vodvost gelu skoro stejně vysoká jako v původním solu. Totéž platí o dfuzvtě nízkomolekulárních látek. Rychlost pohybu malých molekul a ontů v gelu je o něco menší než v odpovídajícím solu, přesto že př gelatnzac vzroste vskozta soustavy. Pokud do gelu s obsahem nízkomolekulární látky dfunduje další, se kterou tvoří sražennu, dojde ke srážení pouze v některých oblastech gelu. Dochází ke tvorbě barevných proužků označovaných jako Lesegangovy obrazce známých z mnoha nerostů. [8] Anzotrope gelů Anzotrope je dána podmínkam vznku gelů a vyskytuje se u většny gelů rostlnného a žvočšného původu. U uměle přpravených gelů je to způsobeno nerovnoměrnou deformací nebo nerovnoměrnou objemovou kontrakcí (tj. bobtnáním nebo vysoušením). [8] Stárnutí gelů Př stárnutí nebol synerez gelů dochází k vytlačování část původní kapalny vlvem smršťování gelu. Př tomto děj roste počet styčných bodů síťové struktury a probíhá zmenšování objemu celého gelu. [8] Hydrogely na báz humnových látek Humnové hydrogely mají za úkol rozumně modelovat přírodní prostředí. Pevné částce humnových látek v hydrogelu mají být homogenně dstrbuovány, částečně rozpuštěny a částečně vysoce nabobtnalé. Bohužel nejsou známé nterakce humnové látky a hydrogelu, protože tyto základní vlastnost gelu, jako vntřní ph nebo relatvní obsah humnové kyselny v gelu, je obtížné řídt. [19] 16

17 2.3. Dfúze Dfúze se projevuje př vyrovnávání koncentrací kolodních analytckých dsperzí. Částce mají tendenc pronkat z míst o vyšší koncentrace do míst s nžší koncentrací. Dfúze složky ve směs je její relatvní pohyb vzhledem k dané směs a je zapříčněn především nerovnoměrným rozložením chemckých potencálu v různých místech směs. Dfúze probíhá do vyrovnání termodynamcké rovnováhy v soustavě. [30] Pops děje Dfúze je děj, který nastává v důsledku translačního pohybu částc. V soustavách s koncentračním gradentem dochází k samovolnému vyrovnávaní koncentrací. Rychlost dfúze lze vyjádřt dfúzním tokem J, který je defnovaný jako látkové množství df dfundující látky, která za časovou jednotku projde jednotkovou plochou kolmou na směr dfúze. Pro dfúzní tok ve staconární fáz platí tento vztah: kde J df u c, (2) df u je střední rychlost toku částc a c je koncentrace částc. [10] Fckovy zákony a známá řešení Tepelný pohyb dsperzních částc je v nepřítomnost slového pole zotropní, to znamená, že všechny směry pohybu jsou stejně pravděpodobné. Avšak dfúze je anzotropní. Můžeme na n nahlížet jako na tok vyvolaný slovým polem termodynamckého původu a souvsí s nerovnoměrným prostorovým rozložením dsperzních částc. Př jednorozměrné staconární dfúz je dfúzní tok úměrný koncentračnímu gradentu, který je hybnou slou dfúze. Vztah mez ntenztou dfúzního toku a koncentračním spádem popsuje první Fckův zákon: [9] J df df d c D, (3) d x kde x je prostorová souřadnce ve směru koncentračního spádu a D je koefcent úměrnost nebo také dfúzní koefcent. Př jednotkovém koncentračním gradentu je dfúzní koefcent číselně roven látkovému množství dfundující látky, která projde jednotkovou plochou za jednotku času. Tato velčna je závslá na teplotě a se zvyšující se teplotou roste. To je zapříčněno poklesem vskozty kapalného prostředí a také tím, že dfúze je důsledkem tepelného pohybu. Jestlže známe Enstenovu rovnc pro dfúzní koefcent, můžeme s to dokázat tímto vyjádřením: kde D kt, (4) f f je frkční koefcent, respektve koefcent tření, a popsuje odpor prostředí prot pohybu částce, k je Boltzmanova konstanta a T je teplota prostředí. Dále víme, že pro kulovté částce je frkční koefcent f dán vztahem: 2 0 r f 6 0 r, (5) 3 0 r kde 0 je vskozta prostředí, r je poloměr kulovté částce a je koefcent skluzového tření. Jsou-l kulovté částce tak velké, že rozpouštědlo můžeme považovat za model, v němž 17

18 reálné prostředí můžeme nahradt dealzovaným spojtým prostředím, je koefcent skluzového tření velký a pro frkční koefcent tedy platí Stokesova rovnce: f 6 0 r. (6) Po dosazení do Stokesovy rovnce do Enstenovy rovnce dostaneme toto vyjádření: kt D. (7) 6 r Tento vztah platí pro dfúz velkých kulovtých částc ve zředěných dsperzích s kapalným dsperzním prostředím, které se jeví jako kontnuum. [8, 9] Druhý Fckův zákon popsuje nestaconární dfúz, př které se koncentrační gradent s časem mění a dfúzní tok se mění s polohou. Probíhá-l dfúze v objemovém elementu trubce, k vyjádření druhého Fckova zákona dojdeme následovně: V objemu V narostla koncentrace za čas d t, to znamená, že přbylo d n látky. dále platí, že: 0 V S x, (8) df df J J S dt dn, (9) df df dn dn dc J J S J d c, (10) V S dx dt S x x dc d D df dc J dj dx. (11) dt x dx dx Po upravení vztahu dostáváme druhý Fckův zákon ve tvaru: [8, 9] dc dt 2 d c D. (12) 2 dx 18

19 Dfúze v celách Metody pro stanovení dfúzního koefcentu jsou mnohdy obtížné a nepřesné. Metoda stanovení dfúzního koefcentu metodou dfúzních cel patří mez relatvně přesné a nenákladné metody. Dalším výhodam této metody je možnost plné automatzace. Vzhledem k tomu, že dfúzní expermenty probíhají několk dní, je tato možnost vždy vítaná. Metodou dfúzních cel můžeme dosáhnout výsledku s odchylkou jen 0,2 %. Tato metoda má však své nevýhody, jako například velkou spotřebu studovaných látek. [18] Obrázek 3: Schéma dfúzní cely [26] Pro metodu stanovení dfúzního koefcentu pomocí dfúzních cel je potřeba Stokesovy dfúzní cely (můžeme se setkat s označením Sde-b-sde). Tato cela se skládá ze dvou samostatných komor, mez které lze vložt porézní přepážku. Jako porézní přepážka může sloužt kůže, skleněný papír nebo tuhé a polotuhé vzorky (např. hydrogely) uchycené ve vhodné formě. Každá komora je tvořena vntřním a vnějším pláštěm, který zajšťuje průtočnost a konstantní teplotu cely př expermentu průtokovým termostatem. Vntřní plášť slouží pro samotný experment. Použjeme-l jako dfúzní médum například roztok měďnatých katontů nebo organcká barvva (methylenová modř, fluorescen aj.), lze změnu koncentrace v přjímací a zdrojové komoře sledovat pomoc spektroskopckých metod. [18] Dfúzní technka v celách souvsí s prvním Fckovým zákonem (staconární dfúze), kdy dfúzní koefcent, jako základní parametr dfúze, lze vypočítat ze změn koncentrace v příjmové komoře dfúzní cely podle rovnce: t cd ca ln De t, (13) c c D A 0 kde c D je molární koncentrace měd v zdrojové komoře, c A je molární koncentrace v příjmové komoře, β symbolzuje geometrcký parametr zjštěný expermentálně a t je čas dfúze. Př 19

20 znalost konstanty je tak možno z rovnce 13 určt přímo hodnotu efektvního dfúzního koefcentu D e. Protože však konstanta ve své hodnotě zahrnuje charakterstky membrány, které v případě nám použtých hydrogelů nejsou známy, bylo nutné pro výpočet dfúzních koefcentů použít jný postup. Pro naše potřeby je důležté znát efektvní dfúzní koefcent D e, jehož výpočet je uveden v rovnc 14: dn L t D c e d, (14) kde L je tloušťka gelu, Δc je rozdíl molárních koncentrací ve zdrojové a přjímací komoře dn dfúzní cely a je směrnce lneární oblast grafu závslost molární koncentrace kovových dt ontů v přjímací komoře na čase, ε je rozdělovací koefcent rovný podílu molární koncentrace kovových ontů v gelu k molární koncentrac kovových ontů v roztoku (vz rovnce 15. cgel. (15) c Jestlže stejně jako v našem případě dochází v hydrogelu k reakc mez dfúzním medem a dfundující látkou, počítáme dfúzní koefcent D L zahrnující tuto reakc podle rovnce 16: D L roztok 2 L, (16) 6t kde t L je tzv. lag tme a vypočteme ho z rovnce přímky lneární oblast grafu závslost molární koncentrace kovových ontů v přjímací komoře na čase. Předpokládáme, že koncentrace kovových ontů je v tomto čase nulová. Vztah mez D e a D L popsuje rovnce 17, kde K je zdánlvá rovnovážná konstanta vyjádřená v rovnc 18: D e L K DL 1, (17) mob K, (18) kde c mob je molární koncentrace ontů vázaných v gelu a c mob je molární koncentrace ontů, které gelem prošly. c Hodnoty v rovnovážném stavu dfúzního toku a doby zdržení byly určeny z lneární oblast funkce koncentrace měd na čase. Obvykle má funkce dvě oblast. Na začátku dfúze dochází k sorpc měd v agarosovém gelu, a proto je první oblast křvky konstantní. Do příjmové komory dfúzní cely neprochází žádný měďnatý katont. Po určté době začne docházet ke zvýšení koncentrace měd v příjmové komoře, a to lneárně. Úhel této lneárně rostoucí oblast křvky je úměrný efektvnímu dfúznímu koefcentu. Doba, za jakou dojde k pronkání měd do příjmové komory, závsí na charakteru membrány (čstá agarosa, s methylovaným nebo nemethylovaným humnovým kyselnam). [17, 19] c mob 20

21 2.4. Současný stav řešené problematky V nedávné době bylo publkováno několk prací zabývající se dfúzí v humnových hydrogelech. V prác [32] byly použty metody dfúze z konstantního zdroje a z časově proměnného zdroje. Měď jako modelový kov byla využta vzhledem ke své vysoké afntě a dobré stabltě vznklých komplexů s humnovým kyselnam. Metodou dfúze z konstantního zdroje byly měřeny dfúzní koefcenty dalších těžkých kovů jako nkl č kobalt. Př porovnání výsledků došl k závěru, že s ohledem na dfuzvtu kovů v humnových gelech má největší vlv chemcká reakce mez Cu 2+ onty a humnovým kyselnam. Metodou dfúze z časově proměnného zdroje byla stanovena koncentrační závslost efektvního dfúzního koefcentu. Autoř práce [27] se zaměřl na šíření a moblzac kovových ontů v humnovém hydrogelu s různým obsahem reaktvních funkčních skupn. Studoval selektvní účnek blokace moblty Cu(II) ontů karboxylovým kyselnam humnových látek. Obsah karboxylových kyselny byl ovlvněn methylací humnových kyseln. Experment byl proveden metodou okamžtého planárního zdroje, kdy hydrogel je vtlačen do skleněné trubce a po dfúz je krájen na plátky. Z těchto plátku jsou vyextrahovány měďnaté katonty, jejchž obsah je stanoven pomoc UV VIS spektrometre. Došl k závěru, že se zvyšujícím se obsahem karboxylových skupn v hydrogelech se snžovala dfuzvta. To bylo způsobeno moblzací meďnatých katontů vlvem nterakcí s humnovým látkam obsažených v gelu. V článku [28] autoř zkoumal sílu vazby měďnatých katontů v humnovém hydrogelu. Dfúzní expermenty byly použty stejné jako v předchozím případě. Použtá extrakční čndla byla: voda, MgCl 2 a HCl. S pomocí byly měďnaté onty v humnových hydrogelech rozděleny do tří frakcí: moblní, ontově- výměnné a slně vázané frakce. Vhodnost dfúzních expermentů posuzoval autoř v článku [31]. Metoda okamžtého plošného zdroje, dfúzního páru a konstantního zdroje se ukázaly být jednoduché na provedení a v těchto systémech vhodně popsují transportní jevy. Př volbě konkrétní metody je třeba vzít v úvahu konkrétní parametry dané metody, neboť se snažíme přblížt k reálným procesům probíhajícím v přírodě. 21

22 3. PRAKTICKÁ ČÁST 3.1. Použté přístroje a vybavení UV VIS spektrofotometr (Htach U 3900H), ph metr (Mettler Toledo, SevenMult), vícemístná míchačka (Thermo Scentfc, Varomag POLY), váhy (Scaltec SPB 42), dfúzní cela (Permegear,Inc., Sde-B-Sde Super Cell), elektrcký vařč (ETA), dgtální teploměr (Gresnger electronc, GMH 175), stojan dfúzní cely, teflonová forma se sklíčky, držáky Použté chemkále dhydrát chlordu měďnatého, p.a., Lach-ner s.r.o., heptahydrát chlordu nkelnatého, p.a., Sgma Aldrch, hydroxd sodný, p.a., Penta Praha, kyselna chlorovodíková, normanal, Lach-ner s.r.o., agarosa, Sgma Aldrch, humnové kyselny, IHSS, destlovaná voda Příprava roztoku humnové kyselny V této prác byly použty humnové kyselny vědecké organzace IHSS v methylované a nemethylované formě. Na přípravu roztoku bylo použto 0,1 g humnové kyselny, která byla rozpuštěna v odměrné baňce o objemu 50 cm 3 pomoc NaOH. Roztok bylo nutné míchat po dobu 24 hodn př 250 ot mn -1. Po dokonalém rozpuštění humnové kyselny v NaOH byl roztok zneutralzován HCl (o koncentrac 1 mol dm -3 ) na ph = 7 ± 0,2. Tento krok byl prováděn s maxmální opatrností, neboť ph roztoku v neutrální oblast měl strmý pokles ph v závslost na objemu HCl. Takto zneutralzovaný roztok byl převeden do odměrné baňky o objemu 100 cm 3 a koncentrace roztoku humnové kyselny byl 1 g dm Příprava dfúzních roztoků Na přípravu dfúzních roztoků byl použt CuCl 2 2 H 2 O a NCl 2 6 H 2 O. Tyto chemkále byly naváženy a rozpuštěny v 1 dm 3 deonzované vody tak, aby vznkl 0,2 M roztok. Odměrná baňka byla umístěna na míchačku a roztok byl míchán mnmálně 2 hodny př 250 ot mn Příprava agarosových hydrogelů Pro experment byly přpravovány 2 typy hydrogelů Příprava agarosových hydrogelů bez přídavku humnové kyselny Na analytckých vahách bylo naváženo 0,1 g agarosy, ta byla převedena do 10 cm 3 destlované vody. Suspenze byla zahřívána na elektrckém vařč na teplotu 85 C. 22

23 Po dosažení teploty byla agarosa rozpuštěna a vytvořla črý roztok. Roztok byl ještě za horka nalt do kruhové teflonové formy, která byla ze spodní strany opatřena sklíčkem. Po naltí roztoku do formy byla forma zakryta sklíčkem také z horní strany tak, aby se nevytvořly vzduchové bublny. Sklíčka byla z obou stran uchycena držákem. Vznkající agarosový gel byl ponechán as 45 mnut volně na vzduchu př laboratorní teplotě. Doba tuhnutí nesměla být překročena an unáhlena, jnak by gel neměl požadované vlastnost. Konečný gel měl 1 hm. % agarosového gelu a 0,00 hm. % humnové kyselny Příprava agarosových hydrogelů s přídavkem humnové kyselny Obrázek 5: Teflonová forma s humnovým hydrogelem Do kádnky bylo nappetováno 9 cm 3 destlované vody a dále bylo přdáno 0,1 g agarosy a 1 cm 3 přpraveného roztoku humnové kyselny. Roztok byl zahřán na 85 C, kdy došlo k rozpuštění agarosy a vznku hnědého transparentního roztoku. Další postup byl stejný jako u přípravy agarosového hydrogelu bez přídavku humnové kyselny. Konečný gel měl 1 hm. % agarosového gelu a 0,01 hm. % humnové kyselny Příprava dfúzních cel Dfúzní cely byly umyty a vysušeny. Styčné plochy dfúzních cel byly namazány zábrusovým tukem. Po ztuhnutí gelu bylo opatrně sundáno sklíčko klouzavým tahem po teflonové formě tak, aby nedošlo k vytáhnutí gelu z formy. Vznklé možné bublny malých rozměrů byly opatrně přetřeny tukem nebo umístěny na celu tak, aby bublna byla v horní část, kde byl vyvíjen nejmenší tlak na gel. Poté bylo tahem odstraněno z gelu druhé sklíčko a na formu byla umístěna druhá část dfúzní cely. Střed sestrojené cely byl obmotán paraflmem, tím bylo docíleno lepšího zatěsnění a pevnost př manpulac. Dfúzní cela byla stlačena k sobě pomoc specálního stojanu. Do každé komory dfúzní cely byla přdána míchadla. Poté přes nálevku bylo do přjímací komory nalto 60 cm 3 destlované vody a do zdrojové komory 60 cm 3 dfúzního roztoku. Obě komory musely být naplněny zároveň, aby došlo k vyrovnání tlaků na gel z obou stran. Jnak by mohlo dojít k vytlačení gelu z formy. Obrázek 4: Sestavená dfúzní cela 23

24 3.4. Měření absorbance roztoků Pomoc kapátka byly odebrány vzorky dfúzního roztoku z přjímací a zdrojové komory do kyvety. Roztok v kyvetě byl vložen do UV VIS spektrofotometru a měření bylo spuštěno. Soubor ve formátu tabulkového edtoru Mcrosoft Offce Excel byl uložen. Poté byly roztoky vráceny zpět do komor dfúzní cely. Absorbance roztoků byly měřeny v půlhodnových nebo patnáctmnutových ntervalech. Z uložených dat byly vybrány absorbance u vlnových délek 394 nm pro N 2+ a 810 nm pro Cu

25 4. VÝSLEDKY A DISKUSE 4.1. Charakterzace humnových kyseln V této prác byly použty dva vzorky humnových kyseln, methylované a nemethylované (normální) humnové kyselny. Tabulka 2: Charakterzace humnových kyseln; vztaženo na suchý vzorek bez popela [mmol g -1 HK ] [% at.] celková kyselost COOH OH C H O N S C/H C/O normální 6,81 6,63 0,18 48,1 33,2 17,7 0,8 0,2 1,4 2,7 methylované xxx xxx xxx 45,5 37,9 15,9 0,6 0,1 1,2 2,9 Z tabulky 2 je patrné, že vlvem methylace došlo k odstranění karboxylových, hydroxylových a fenolových skupn, to způsoblo také navýšení poměru uhlík/kyslík, neboť ve struktuře zůstal pouze kyslík vázaný v etherových, ketonových a dalších skupnách charakterstckých pro humnové kyselny. Dále došlo k navýšení obsahu atomů vodíku, které jsou vázány v methylové skupně. Tato změna se projevla úbytkem procent v poměru uhlík/vodík Dfúzní expermenty Pomoc UV VIS spektrometru byla změřena absorpční spektra, ze kterých pak byly vybrány maxma absorbance př vlnových délkách (pro měď 810 nm a nkl 394 nm). Hlavní nevýhodou byla časová náročnost expermentu. Jelkož se nepodařlo proces zautomatzovat pomoc UV VIS spektrometru Ocean Optcs, bylo nutné provádět měření v časových ntervalech. To se projevlo především na přesnost měření. V expermentu byla měřena závslost koncentrace na čase v obou komorách dfúzní cely. Př měření docházelo k odchylkám z důvodu netěsnost mez gelem a formou. To zapříčnlo, že některá měření byla předčasně ukončena a nemohla být vůbec použta. Pro Cu 2+ a N 2+ onty bylo měření provedeno s následujícím hydrogely: čstý agarosový gel (PURE), agarosový gel s přídavkem methylované humnové kyselny (MHK) a agarosový gel s přídavkem nemethylované humnové kyselny (HK). Každé měření bylo opakováno mnmálně dvakrát, avšak počet provedených expermentů dosahuje počtu 20. Velkou část práce tak představuje optmalzace použté metody pro použtí ke studu transportu kovových ontů skrz hydrogely. Abychom získal základní představu a nformace o dfúz kovových ontů v hydrogelu, bylo nutné změřt závslost koncentrace kovových ontů na čase v delším ntervalu, který můžete vdět na obrázku 9. Protože byla měřena dfúze po dobu 29 hodn, nebylo možné tento experment provést kontnuálně. To se projevlo ve výsledcích, kdy každé nové měření plynule nenavazuje na předchozí. 25

26 c Cu [mol dm -3 ] 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, t [mn] 1. měření 2. měření 3. měření 4. měření 5. měření Obrázek 9: Graf závslost molární koncentrace Cu 2+ ontů na čase v průběhu 29 hodn Měření se skládalo z celkem pět jednotlvých dfúzních expermentů. Jako transportní médum sloužl agarosový gel, přes který dfundovaly onty Cu 2+. Na základě těchto úvodních expermentů byl proveden hrubý odhad doby průchodu kovových ontů hydrogelem a bylo též potvrzeno, že po určté době se celý proces dostane do staconární fáze, pro kterou je charakterstcký lneární nárůst koncentrace v přjímací cele. Pro výpočet dfúzního koefcentu bylo potřeba znát dobu průchodu kovových ontů hydrogelem (tzv. lag tme). Předpokládá se, že nemethylovaná humnová kyselna obsahující karboxylové a další funkční skupny, které jsou schopné vázat kovové onty, bude mít tento čas vyšší než karboxylová kyselna s funkčním skupnam blokovaným methylací. Čstý agarosový gel by měl mít dobu zadržení nejmenší, jelkož by neměl nteragovat s kovovým onty Dfúzní expermenty s agarosovým gelem bez humnových kyseln Pro agarosový gel bez humnových kyseln byly po úvodní fáz popsané v předchozí kaptole provedeny 2 expermenty pro každý kov. Doby zadržení (t L ), rozdělovací koefcenty ( ) a dfúzní koefcenty (D L a D e ) jsou pro oba kovové onty přehledně zaznamenány v tabulce 3. Grafy závslost molární koncentrace Cu 2+ a N 2+ ontů na čase jsou v obrázku 1. Z tabulky 3 je patrné, že N 2+ onty mají v porovnání s Cu 2+ onty kratší dobu zdržení a větší dfúzní koefcent. To může být způsobeno tím, že N 2+ onty mají menší velkost a je pro ně snadnější prostup pórovtým agarosovým gelem. Pokud by byl splněn předpoklad, že čstý agarosový gel se studovaným kovovým onty njak nenteraguje, měly by hodnoty D L a D e vycházet stejně. Hodnoty D L byly vypočteny z doby průchodu kovových ontů hydrogelem (vz rovnce 18), a zahrnují v sobě tudíž případné nterakce mez dfundujícím částcem a dfúzním médem. Hodnoty D e byly naopak určeny na základě expermentálních dat platných pro staconární úsek dfúze, tedy až po průchodu 26

27 c [mol dm -3 ] kovových ontů hydrogelem a př lneárním nárůstu koncentrace v přjímací cele. Tento tzv. efektvní dfúzní koefcent tak v sobě zahrnuje zejména vlv vntřní struktury gelu. Výsledky získané z dfúzních expermentů ale naznačují možné nterakce zejména v případě měďnatých ontů, jejchž dfúzní koefcent D e je o více než polovnu menší než D L. Všechny získané hodnoty dfúzních koefcentů pak splňují původní předpoklad, totž že jsou nžší než dfúzní koefcenty D 0 obou kovových ontů ve zředěných vodných roztocích, které jsou uvedeny v tabulce 3. Tabulka 3: Vypočítaná a tabelovaná data pro Cu 2+ a N 2+ onty (PURE) [33] Cu 2+ ont ε t L [s] D L [m 2 s -1 ] D e [m 2 s -1 ] D 0 [m 2 s -1 ] ± 0, , , průměr 2, , , , chyba [%] 1,63 7,27 7,27 2,51 N 2+ ± 0, , , průměr 1, , , , chyba [%] 14,57 2,68 2,68 2,43 0,020 0,018 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0, t [s] Obrázek 10:Graf závslost molární koncentrace kovových ontů na čase (PURE) Dfúzní expermenty s agarosovým gelem s obsahem nemethylovaných humnových kyseln Cu Obdobně byla studována dfúze kovů přes hydrogel s obsahem 0,01 hm. % nemethylované humnové kyselny. Grafy závslost molární koncentrace kovových ontů na čase jsou zobrazeny na obrázku 11. Vypočítaná data jsou v tabulce 4. N 27

28 c [mol dm -3 ] Tabulka 4:Vypočítaná a tabelovaná data pro Cu 2+ a N 2+ onty (HK) [33] Cu 2+ N 2+ ont ε [1 + K] t L [s] D L [m 2 s -1 ] D e [m 2 s -1 ] D 0 [m 2 s -1 ] ± 0, , , průměr 1, , , , chyba [%] 2,47 0,26 0,26 2,92 ± 0, , , průměr 0, , , , chyba [%] 3,67 2,12 2,12 7,11 Z vypočítaných hodnot v tabulce 4 je jasně vdět rozdíly mez dfúzí Cu 2+ a N 2+ ontů. Doba zdržení Cu 2+ ontů je podstatně větší než N 2+ ontů. To může být zapříčněno rozdílem ve velkost ontů, stejně jako v případě agarosového gelu bez humnových kyseln. Patrná změna je zde v případě, že porovnáme doby zdržení s předchozím případem. To je pravděpodobně způsobeno nterakcem humnových kyseln s kovovým onty. Měďnaté katonty mají k humnovým kyselnám větší afntu než katonty nkelnaté, tím dochází k prohloubení rozdílu ve výsledných datech v tabulce 4. Vlv mají samozřejmě případné nterakce se samotným agarosovým gelem bez humnových kyseln (vz předchozí kaptola). 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0, t [s] Cu N Obrázek 11: Graf závslost molární koncentrace kovových ontů na čase (HK) 28

29 c [mol dm -3 ] Dfúzní expermenty s agarosovým gelem s obsahem methylovaných humnových kyseln V další sadě dfúzních expermentů byl použt hydrogel s obsahem 0,01 hm. % methylovaných humnových kyseln. Výsledky z měření jsou uvedeny v tabulce 5. Grafy závslost molární koncentrace kovových ontů na čase jsou uvedeny na obrázku 12. 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 Tabulka 5: Vypočítaná a tabelovaná data pro Cu 2+ a N 2+ onty (MHK) [33] Cu 2+ N 2+ ont ε [1 + K] t L [s] D L [m 2 s -1 ] D e [m 2 s -1 ] D 0 [m 2 s -1 ] ± 0, , , průměr 1, , , , chyba [%] 4,75 5,37 5,37 0,60 ± 0, , , průměr 0, , , , chyba [%] 6,70 3,00 3,00 5,55 0, t [s] Cu Obrázek 12: Graf závslost molární koncentrace kovových ontů na čase (MHK) Blokace funkčních skupn v humnových kyselnách pomocí methylace podle výsledků získaných v této část prác nezabránla nterakcím mez dfundujícím kovovým onty a hydrogelem. Srovnání hodnot D L a D e ukazuje opět mnohem větší rozdíl pro měďnaté onty, což znovu potvrzuje jejch vysokou afntu vůč humnovým kyselnám a pravděpodobně samotnému agarosovému gelu. V případě jednoduché rovnováhy mez moblzovaným a moblním kovovým onty se jejch poměr reprezentující zdánlvou rovnovážnou konstantu (rovnce 16) přímo podílí na snížení hodnoty D L oprot D e. V našem případě jsou ale hodnoty D L vyšší než D e, což ukazuje na mnohem složtější mechansmus nterakcí mez kovovým N 29

30 c Cu [mol dm -3 ] onty a humnovým kyselnam. V prác [28] bylo potvrzeno, že Cu 2+ onty se v humnových hydrogelech nachází nejméně ve třech různých frakcích podle síly vazby a na transportních charakterstkách se částečně podílí frakce ontově výměnná. Jednoduchá rovnováha defnovaná jako poměr moblzovaných a volných ontů tak zdaleka nevysthuje skutečnou podstatu nterakcí. Je pravděpodobné, že u nkelnatých ontů dochází také k nterakcím podle složtějšího mechansmu, ovšem s tím rozdílem, že afnta N 2+ ontů k humnovým kyselnám samotnému agarosovému hydrogelu je mnohem nžší Srovnání výsledků dfúzních expermentů v různých typech hydrogelů Př srovnání všech zjštěných dfúzních koefcentů lze říc, že methylace humnových kyseln nemá zásadní vlv na jejch reaktvtu. Jak ukazuje obrázek 13 hodnoty v tabulkách 3, 4 a 5, v případě obou studovaných kovových ontů dochází k prodloužení doby průchodu hydrogelem obohaceným o humnové kyselny obou typů. Methylací byly sce zablokovány funkční skupny, které se prmárně podíly na reaktvtě humnových kyseln, v jejch struktuře však zůstala celá řada aktvních center schopných vázat na sebe kovové onty, a to zejména v případě Cu 2+, jejchž vysoká afnta k humnovým kyselnám byla opakovaně potvrzena v předchozích pracích, např. [27], [28], [34]. Rozdíly v hodnotách dfúzních koefcentů jsou také ovlvněny chybou měření, kterých mohlo nastat hned několk. Těsnost na rozhraní gelu a teflonové formy nebyla správně řešena, mohlo tedy dojít k únku dfúzních roztoků mez komoram dfúzní cely. Př odebírání vzorků do kyvet pro spektrometr docházelo k objemovým ztrátám dfúzních roztoků (kapky roztoků v kyvetách, ppetkách). Dále nebylo možné dodržet odebírání vzorků v přesně danou dobu a měřený čas se od reálného vždy lšl mnmálně v řádech desítek sekund. 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0, t [s] PURE HK MHK Obrázek 13: Graf závslost molární koncentrace Cu 2+ ontů na čase vzhledem k typu dfúzního méda 30