熱處理對腐植酸元素含量和熱穩(wěn)定性的影響

劉媛媛卜兆君*譯

(1 俄羅斯托木斯克理工大學 托木斯克 634050

2 俄羅斯托木斯克州立大學 托木斯克 634050

3 東北師范大學地理科學學院 長春 130024)

熱處理對腐植酸元素含量和熱穩(wěn)定性的影響

劉媛媛3卜兆君3*譯

(1 俄羅斯托木斯克理工大學 托木斯克 634050

2 俄羅斯托木斯克州立大學 托木斯克 634050

3 東北師范大學地理科學學院 長春 130024)

檢驗了熱泥炭改性對腐植酸元素含量和性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，不同分解程度的泥炭加熱預(yù)處理后均導(dǎo)致元素含量變化；恰恰是加熱預(yù)處理導(dǎo)致高分子苯化度的增加，從而導(dǎo)致熱穩(wěn)定性的增強。

泥炭 熱處理 熱穩(wěn)定性 族組成 元素含量

腐植酸是土壤(泥炭)的重要組成部分，決定著土壤(泥炭)的性能特點。此外，腐植酸是很多種產(chǎn)品必不可缺的原材料，在許多行業(yè)(醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化妝品等)中均具有潛在的應(yīng)用價值。腐植酸特定的性質(zhì)、數(shù)量和質(zhì)量直接決定了其在不同行業(yè)中的應(yīng)用。

當前的研究提出了一個非常復(fù)雜的問題。當人們從不同類型的泥炭中提取腐植酸時，腐植酸基質(zhì)中的有機和無機組分會有不同程度的改變，所獲得的腐植酸在組分和性質(zhì)上均有顯著差異。所以，為了解決這個問題，學者們需要進行大量調(diào)查，來開發(fā)一種既可以調(diào)節(jié)腐植酸產(chǎn)量又可以監(jiān)測它們組成和性質(zhì)改變的方法，這項研究具有十分重要的實踐和理論意義。

前期的合作研究顯示，在本身分解氣體保護下進行250 ℃泥炭熱處理是提高泥炭腐植酸產(chǎn)量的方法。然而，所獲得的數(shù)據(jù)不足以計算出加熱預(yù)處理對從不同分解程度的泥炭樣品中提取的腐植酸組分和性質(zhì)的影響。對此，需要進行進一步的復(fù)雜研究，準確地確定腐植酸的元素組成，并基于所獲得的計算特征來描繪腐植酸大分子的結(jié)構(gòu)變化。

本研究的主要目的是調(diào)查熱處理對不同泥炭樣品中提取的腐植酸元素組成和性質(zhì)的影響，并分析其熱穩(wěn)定性特征變化情況。

1 材料與方法

在本研究中，選擇雨養(yǎng)型、過渡型和礦養(yǎng)型泥炭沼澤的中、低分解度(R：5%～45%)的泥炭，進行自然風干或熱處理，過0.25 mm篩，從中提取獲得所需要的腐植酸。研究所用的泥炭樣品來自于俄羅斯托木斯克地區(qū)的瓦休干濕地。每個泥炭樣品的代碼如下：雨養(yǎng)型泥炭提取的腐植酸(HAh)，過渡型泥炭提取的腐植酸(HA m)，礦養(yǎng)型泥炭提取的腐植酸(HA l)。

泥炭有機質(zhì)的元素含量(C、H、N、S+O)利用EUROEA3000自動元素分析儀進行測試。元素含量通過燃燒法進行測量，其具體操作為：稱取1.5 mg樣品放入含有1050 ℃惰性氦氣的垂直反應(yīng)器(氧化管)中，燃燒過程添加氧氣(10 mL)；熱裂解獲得的產(chǎn)品隨后在反應(yīng)器的偏低位置利用氧化催化劑進行氧化，然后通過已充滿氫氣、在500 ℃下初步還原的銅還原區(qū)；氧化氮和硫的混合物分別被轉(zhuǎn)換為氮氣和二氧化硫。

使用氣象色譜分離柱分離得到氮氣、二氧化碳、水、二氧化硫，并使用熱導(dǎo)檢測器進行測定。所獲得的平均值以干燥無灰分的腐植酸樣品計算。

2 結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)顯示腐植酸元素含量隨熱處理條件的改變而變化。例如隨著Н和O含量的降低，С和N元素含量增加(表1)。

表1 泥炭熱處理對腐植酸元素含量的影響Tab.1 Impact of peat heat treatment on humic acid elemental content

雨養(yǎng)型泥炭提取的腐植酸元素含量(ΔC、ΔH、ΔN、ΔO)的相對變化證明了初始分解度的重要性：泥炭的分解度越高，ΔC、ΔH、ΔN、ΔO的值越低。這是由于在泥炭形成階段有機物質(zhì)分解更加強烈的原因。反過來，這導(dǎo)致了熱處理對中等分解程度泥炭中提取的腐植酸元素含量的影響微乎其微。

基于元素分析數(shù)據(jù)，根據(jù)Н∶С和О∶С原子比，計算出每個腐植酸的苯化度α(%)。準確地說，從風干泥炭提取的腐植酸的苯化度α值范圍從30.04%到36.37%，而從熱處理泥炭提取的腐植酸具有更高的苯化度，α值范圍從35.49%到42.29%(表2)。以上所獲得的實驗數(shù)據(jù)表明，隨著從熱處理泥炭提取的腐植酸苯化度的增加，腐植酸大分子的內(nèi)部(核)和外圍部分的比例發(fā)生了變化。

為了驗證前面試驗中所得出的假設(shè)，在惰性氣體氮氣和5 ℃/min升溫速率的環(huán)境條件下，采用示差分析儀進行腐植酸的分析，并且在600 ℃下計算所有研究樣品的熱穩(wěn)定性(重量損失指標G，%)(表2)。

根據(jù)熱穩(wěn)定性值顯示，熱泥炭改性導(dǎo)致了腐植酸重量損失降低。換句話說，這樣的腐植酸含有更多的熱穩(wěn)定元素，這些元素可以構(gòu)成分子內(nèi)部(核)，但不涉及其外圍部分。

泥炭熱處理造成腐植酸重量損失的相對變化(ΔG)表明，熱穩(wěn)定性強烈變化是低分解度的雨養(yǎng)型泥炭腐植酸的重要特征：ΔG＝19.71%和21.57%。當分解度增加，ΔG指標降低(表2)，這符合元素含量分析顯示的規(guī)律(表1)。

表2 熱處理對泥炭腐植酸苯化度和熱穩(wěn)定性的影響Tab.2 Impact of peat heat treatment on humic acid benzoid degree and thermal stability

3 結(jié)論

(1) 泥炭的初始熱處理導(dǎo)致腐植酸中C含量增加、O和H含量減少，反過來增加了腐植酸分子的苯化度。

(2) 熱處理泥炭獲得的腐植酸具有更好的熱穩(wěn)定性。

(3) 從分解程度低的熱處理泥炭中提取出的腐植酸的元素含量和重量損失指標有更大變化。

致謝及參考文獻(略)

譯自：Procedia Chemistry，2015，(15)：288～291。

Natalia Chukhareva1, Tatiana Malinovskaya2, Tatiana Korotchenko1, Darya Rozhkova1著

Impact of Heat Treatment on Humic Acid Elemental Content and Thermal Stability Natalia Chukhareva1, Tatiana Malinovskaya2, Tatiana Korotchenko1, Darya Rozhkova1write

Liu Yuanyuan3, Bu Zhaojun3*translate
(1 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050
2 Tomsk State University, Tomsk, 634050
3 School of Geographical Science, Northeast Normal University, Changchun, 130024)

The article examines the impact of thermal peat modifi cation on the elemental content and properties of humic acids. It has been revealed that preliminary heat treatment of different peat types characterized by various decomposition degrees causes the changes in elemental content; precisely it leads to the increase in macromolecule benzoid degree and subsequent enhancement of its thermal stability.

peat; heat treatment; thermal stability; group composition; elemental content

TQ314.1，TG156.1

A

1671-9212(2016)06-0041-03

2016-08-29

劉媛媛，1996年生，在讀本科生，主要從事自然地理學與濕地科學研究。*通訊聯(lián)系人：卜兆君，男，教授，E-mail：buzhaojun@nenu.edu.cn。