Hydration and structure of humic acids studied by thermal analysis

Cílem této práce bylo užití termické analýzy, především teplotně modulované diferenční kompenzační kalorimetrie (TMDSC) k odhalení změn ve struktuře huminových kyselin (HA), způsobených pravidelným vlhčením HA vodou a jejím opakovaným sušením. Celkový počet cyklů vlhčení byl pět, neboť následující cykly již nezpůsobily žádné další pozorovatelné strukturální změny. Experimenty provedené v této práci ukázaly, že voda hraje roli nejen v bobtnání struktury HA a přerušení van der Waalsových sil, ale i v přerušení některých vodíkových vazeb, což má větší vliv na snížení teploty skelného přechodu, Tg. Změny v teplotách skelného přechodu byly nepatrné, protože voda ovlivnila především okolí amorfních domén (zodpovědných za skelný přechod), než domény samotné. Dalším úkolem bylo ozřejmit roli volných lipidů ve stabilitě fyzikální struktury HA s ohledem na opakované vlhčení a sušení. Voda periodicky stabilizovala a destabilizovala strukturu HA, ve vzorku HA bez volných lipidů byl vliv vody krátkodobý, voda potřebovala méně času k vyvolání změn ve vzorku, zatímco v původním vzorku byly změny kontinuální. Opakované vlhčení vyvolalo pokles v teplotách fázových přeměn v každém cyklu v porovnání s předcházejícím a ovlivnilo především kinetické procesy, jmenovitě krystalizaci/krystalickou reorganizaci. Opakované vlhčení dále způsobovalo redistribuci a vymytí hydrofilních molekul a tím postupnou hydrofobizaci celé struktury.The aim of this work was to use thermal analysis and namely temperature-modulated differential scanning calorimetry (TMDSC) to reveal the changes in humic acids (HA) structure caused by regular wetting of HA by water and its repeated drying. The total number of rewetting cycles was five because further rewetting did not bring any other observable structural changes. Experiments carried out in this work have shown that water plays a role not only in swelling of the HA matrix and disruption of van der Waals forces but it also plays a role in disrupting of some hydrogen bonds, thus it had greater effect on reduction of the glass transition temperature, Tg. The changes in the glass transition temperatures were only of minor scale, so that water influenced predominantly the close proximity of amorphous domains (responsible for glass transition) than the domains themselves. The next task was to shed light on the role of free lipids in the stability of HA physical structure with respect to the repeated wetting and drying. Water periodically stabilized and destabilized HA structure, in the lipid free HA sample the effect of water was short-term, water required less time to cause changes in the sample, whereas in the HA sample the changes induced by water were continuous. The rewetting induced a decrease in the phase transition temperatures in every following cycle in comparison with the previous one and influenced especially kinetic processes, namely crystallization/crystalline reorganization. Furthermore, the rewetting caused redistribution and washing out of the hydrophilic molecules and thus making the HA structure more hydrophobic with every other cycle.