活化條件對(duì)木本泥炭中腐植酸提取效果的影響

潘 慧 傅 欣 趙世軍 李健鵬 譚 鈞

（香港中向國(guó)際有限公司 北京 100004）

活化條件對(duì)木本泥炭中腐植酸提取效果的影響

潘 慧 傅 欣 趙世軍 李健鵬 譚 鈞*

（香港中向國(guó)際有限公司 北京 100004）

以木本泥炭為原料，研究了活化劑用量、水量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)腐植酸提取效果的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)隨著活化劑用量的增大、水量的增大、反應(yīng)溫度的升高、反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，提取率也隨之上升；其中活化劑用量和水的用量對(duì)提取效果影響相對(duì)較大。實(shí)驗(yàn)篩選出泥炭和活化劑的最優(yōu)比例為1∶0.16，泥炭和水的最優(yōu)比例為1∶8。

木本泥炭 腐植酸 活化 提取率

目前，商品化開(kāi)發(fā)利用的腐植酸主要是礦物來(lái)源的，其主要原料為泥炭、褐煤和風(fēng)化煤[1]。泥炭是沼澤中死亡植物殘?bào)w轉(zhuǎn)化積累形成的有機(jī)礦產(chǎn)資源[2]。腐植酸的研究與開(kāi)發(fā)利用所采用的泥炭原料主要是草本泥炭[3]，以木本泥炭為原料的研究與應(yīng)用鮮有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)中采用的原料屬高分解、低灰分、高腐植酸含量的木本泥炭（殘?bào)w組成主要為木本殘?bào)w），而且木質(zhì)-纖維物質(zhì)在氧化劑（硝酸、臭氧、空氣氧、高錳酸鉀、過(guò)氧化氫、過(guò)硫酸鹽等）作用下可生成“再生腐植酸”[4]?；谀颈灸嗵克赜械睦砘再|(zhì)和化學(xué)深加工性能，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用前景。本文旨在對(duì)不同的活化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及水量對(duì)腐植酸提取率的影響進(jìn)行研究，篩選出從木本泥炭中提取腐植酸的最優(yōu)條件，以期為采用木本泥炭為原料生產(chǎn)腐植酸鹽提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1供試材料

實(shí)驗(yàn)中供試木本泥炭產(chǎn)自印度尼西亞露天木本泥炭礦，該礦區(qū)資源儲(chǔ)量豐富、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、礦體規(guī)模較大、形態(tài)特征明顯、礦層埋藏淺、礦層厚度發(fā)育和泥炭物化指標(biāo)穩(wěn)定。全區(qū)泥炭有機(jī)質(zhì)平均含量89.02%；總腐植酸平均含量53.96%，部分區(qū)域總腐植酸含量達(dá)75.00%；游離腐植酸平均含量53.48%；黃腐酸平均含量4.74%；重金屬含量很低，砷、鉛、鉻、鎘、汞平均含量分別為0.6087 mg/kg、4.9305 mg/kg、3.3485 mg/kg、0.1732 mg/kg、0.0401 mg/kg。本實(shí)驗(yàn)中所選用的木本泥炭原料各指標(biāo)見(jiàn)表1。表中數(shù)據(jù)均采用李善祥[5]所著《腐植酸產(chǎn)品分析及標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)方法進(jìn)行測(cè)定和分析。

本文中所采用的活化劑是自行開(kāi)發(fā)的，是在傳統(tǒng)提取劑氫氧化鉀的基礎(chǔ)上添加磺化劑和氧化劑等復(fù)配而成。

表1　供試木本泥炭基本性質(zhì)Tab.1 The basic properties of selected woody peat

1.2實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定量過(guò)40目篩的木本泥炭原料于反應(yīng)器中，按照不同的質(zhì)量比依次加入水、活化劑等，然后在一定溫度下攪拌，反應(yīng)10～60 min后，離心分離，分別對(duì)上清液和殘?jiān)M(jìn)行分析。按此方法探索提取腐植酸的最優(yōu)條件。

按腐植酸產(chǎn)品相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)、水溶腐植酸、水不溶物及pH值等進(jìn)行測(cè)定[5]。

1.3數(shù)據(jù)分析

優(yōu)化條件以提取率作為考察指標(biāo)，提取率的計(jì)算方法如下：

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用OriginPro 8 SR3軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化

固定其他反應(yīng)條件（根據(jù)前期的探索性實(shí)驗(yàn)所得，反應(yīng)溫度：90 ℃，水:泥炭:活化劑為8:1:0.16），研究不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)木本泥炭中腐植酸提取率的影響（圖1）?？梢钥闯觯颈灸嗵恐懈菜岬奶崛÷孰S反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)有小幅提升，反應(yīng)時(shí)間為50 min時(shí)達(dá)到最大值55.79%，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選取反應(yīng)時(shí)間為50 min來(lái)對(duì)其他活化條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.2活化劑用量的優(yōu)化

將反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為50 min，反應(yīng)溫度和用水量不變的情況下對(duì)活化劑用量進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定泥炭:活化劑分別為1:0.12、1:0.14、1:0.16和1:0.18四個(gè)添加比例，同樣以提取率為測(cè)定指標(biāo)，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯崛÷孰S著活化劑用量的增大而顯著提高，但在1:0.16以后提升幅度趨緩。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，活化劑用量太大時(shí)影響產(chǎn)物固液分離效果，導(dǎo)致產(chǎn)品水不溶物含量提高，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，活化劑用量選取1:0.16比較合適。

2.3反應(yīng)溫度的優(yōu)化

在選定反應(yīng)時(shí)間50 min，泥炭:活化劑=1:0.16的條件下，以提取率為測(cè)定指標(biāo)對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，提取率隨著反應(yīng)溫度的升高而增加，在90 ℃時(shí)達(dá)到最大值，為56.79%。因此，選取反應(yīng)溫度為90 ℃進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.4水量的優(yōu)化

在選定反應(yīng)時(shí)間50 m i n，泥炭:活化劑= 1:0.16，反應(yīng)溫度為90 ℃的條件下，對(duì)水的用量進(jìn)行優(yōu)化，分別對(duì)泥炭:水=1:9、1:8、1:7、1:6四個(gè)比例進(jìn)行研究，以提取率為測(cè)定指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯崛÷孰S著用水量的增加而升高。水量較小時(shí)，固液分離效果不好，影響產(chǎn)品質(zhì)量；水量增大時(shí)，提取率隨之增加，但在干燥得到固體產(chǎn)品的過(guò)程中需要蒸發(fā)的水量也相應(yīng)增加，能耗也增加，因此綜合考慮泥炭與水的比例為1:8時(shí)較好。

2.5產(chǎn)物分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，從木本泥炭中提取腐植酸的最優(yōu)條件為：反應(yīng)時(shí)間50 min，反應(yīng)溫度90 ℃，水:泥炭:活化劑=8:1:0.16。采用該條件進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)束后離心分離，分別將上清液和殘?jiān)稍锖筮M(jìn)行分析（上清液干燥后所得的固體即為腐植酸鹽），結(jié)果見(jiàn)表2。表中數(shù)據(jù)顯示，腐植酸鹽中有機(jī)質(zhì)（干基）、水溶腐植酸（干基）含量均接近80%；水不溶物含量極低，為0.53%；pH為10.14；殘?jiān)挠袡C(jī)質(zhì)（干基）含量高達(dá)80%以上，水溶腐植酸（干基）含量為23%左右，pH為9.59?？梢?jiàn)，此條件下獲得的腐植酸鹽是優(yōu)質(zhì)的腐植酸產(chǎn)品，所得的殘?jiān)彩巧a(chǎn)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥和土壤調(diào)理劑的理想原料。

表2　產(chǎn)物分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of the products

3 結(jié)論

本研究表明，不同活化條件對(duì)木本泥炭中腐植酸的提取效果影響不同，其中反應(yīng)時(shí)間的影響相對(duì)較小，反應(yīng)時(shí)間從10 min延長(zhǎng)到60 min，提取率僅僅從51.39%提高到55.17%，提高幅度不到4%。反應(yīng)溫度與提取率呈正相關(guān)，但相應(yīng)能耗也高，所以應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中選取一個(gè)合適的反應(yīng)溫度。對(duì)提取率影響比較大的因素是活化劑和水的用量，而且這2個(gè)因素也直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和成本。本文中所采用的活化劑與傳統(tǒng)提取劑氫氧化鉀相比，不僅提高了腐植酸提取率，還降低了生產(chǎn)成本。就本研究而言，從木本泥炭中提取腐植酸的最優(yōu)的條件為泥炭:活化劑=1:0.16，泥炭:水=1:8，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還需要綜合考慮原料的成本、能耗等諸多因素，以確定最佳的反應(yīng)條件。

影響腐植酸提取率的因素較多，如pH值、原料的細(xì)度、活化劑的種類、活化劑的用量、水的用量、攪拌方式及強(qiáng)度、反應(yīng)溫度和時(shí)間等。本文中研究了4個(gè)因素（反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、活化劑用量以及水用量）對(duì)腐植酸提取率的影響。今后還需針對(duì)原料細(xì)度、活化劑種類等方面做進(jìn)一步研究，為采用木本泥炭為原料進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)含腐植酸肥料提供依據(jù)。

[1]成紹鑫 編. 腐植酸類物質(zhì)概論[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007

[2]張則有，曹圉. 我國(guó)熱帶泥炭資源類型及開(kāi)發(fā)[J]. 熱帶地理，1993，（3）：258～265

[3]張則友，趙紅艷. 21世紀(jì)泥炭及其腐植酸開(kāi)發(fā)技術(shù)與市場(chǎng)分析[J]. 腐植酸，2000，（3）：1～9，19

[4]曾憲成，成紹鑫. 腐植酸的主要類別[J]. 腐植酸，2002，（2）：4～6

[5]李善祥. 腐植酸產(chǎn)品分析及標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007

Effects of Activation Conditions on the Extraction of Humic Acid from Woody Peat

Pan Hui， Fu Xin， Zhao Shijun， Li Jianpeng， Tan Jun*
（View Sino International Co. Ltd.， Beijing， 100004）

The effects of activator and water dosage， reaction temperature and time on the extraction of humic acid from woody peat were studied. The results showed that the extraction rate rose with the increase of activator dosage， water dosage， reaction temperature and reaction time within a certain range. Moreover， the activator and water dosage had bigger effects than others. The experiment screened the optimized ratio of peat to activator was 1:0.16， and the optimized ratio of peat to water was 1:8.

woody peat； humic acid； activation； extraction rate

TQ314.1，S141.6

A

1671-9212（2016）01-0020-04

2015-09-21

潘慧，男，1984年生，碩士，主要從事新型肥料研發(fā)、肥料應(yīng)用技術(shù)研究。*通訊作者:譚鈞，男，高級(jí)工程師，E-mail:tanjun1968@126.com。