甘肅某地褐煤中腐植酸的提取工藝研究

黃良仙， 韓星星， 馬 展， 陳 樺， 王佳惠， 牛育華

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

腐植酸(又稱胡敏酸Humic acid，簡稱HA)是動(dòng)植物殘骸經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化，以及地球化學(xué)的一系列復(fù)雜過程而形成的一類具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有機(jī)物質(zhì)[1-3].廣泛存在于褐煤、風(fēng)化煤、泥炭以及土壤、海洋、湖泊、沼澤等中.腐植酸結(jié)構(gòu)中含有羧基、酚羥基、醇羥基、醌基、胺基等多種官能團(tuán)，由一個(gè)或多個(gè)稠環(huán)芳核通過橋鍵隨機(jī)連接而組成[2，4].由于存在活性基團(tuán)，腐植酸具有酸性、親水性、絡(luò)合性、吸附性及離子交換等特性，因此,腐植酸被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)[1，5-7]、石油開采[8,9]、廢水處理[5，7，10，11]、建材[12,13]、電池業(yè)[14]、畜牧業(yè)[15]、環(huán)境保護(hù)[5，7，12]、醫(yī)藥[16，17]等等領(lǐng)域.

腐植酸的提取方法[3,14,18-20]主要有堿提法、酸提法和微生物溶解法.微生物法雖反應(yīng)條件溫和，可清潔轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物生物活性高，但生產(chǎn)周期長，產(chǎn)率低，且微生物容易發(fā)生變異失效[3，18，20].酸提法工藝簡單易于操作，生產(chǎn)周期短，然提取率低，產(chǎn)品活性也低[14，20].目前主要是采用堿提法，即"堿溶酸析"法生產(chǎn)腐植酸.腐植酸在煤中含量較低，使得腐植酸的產(chǎn)率低，因此，在提取前需進(jìn)行預(yù)處理.目前多采用硝酸氧化預(yù)處理.作者參照國際腐植質(zhì)協(xié)會推薦方法——堿浸酸析法從褐煤中提取腐植酸，并結(jié)合預(yù)氧化處理，尋找其最佳的提取工藝條件，同時(shí)將提取的腐植酸用紅外光譜、紫外-可見光譜、E4/E6進(jìn)行分析表征.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑和儀器

(1)原料：煤，為甘肅某地的褐煤.首先將褐煤粉碎、磨至過80目篩網(wǎng)，風(fēng)干得試驗(yàn)所需煤樣備用.

(2)試劑：氫氧化鈉、焦磷酸鈉、硝酸、硫酸、鹽酸、硫酸亞鐵銨、鄰菲羅啉，均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；重鉻酸鉀，優(yōu)級純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

(3)儀器：101A-3 E型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司； JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；Practum 6100-1CN型電子天平，北京賽多利斯天平有限公司；VECTOR-22型傅里葉紅外光譜儀，德國Bruker 公司；1900S型紫外分光光度計(jì)，上海譜元儀器有限公司；HH-S3型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市宏盛儀器廠；TG1850-WS型離心機(jī)，上海盧湘儀器有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 褐煤氧化預(yù)處理——腐植酸的活化

稱取50 g(精確至0.01 g)煤樣，按照設(shè)定的固液比，加入設(shè)定濃度的硝酸溶液，在設(shè)定溫度下攪拌反應(yīng)一定時(shí)間.離心分離，沉淀用蒸餾水清洗2～3次，置于烘箱烘至恒重，得活化煤樣.稱取10 g(精確至0.01 g)活化煤樣，加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%NaOH溶液并使液固質(zhì)量比為9∶ 1，再在70 ℃攪拌反應(yīng)75 min，離心分離，取清液用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 鹽酸調(diào)節(jié)pH=2，離心分離，沉淀水洗至無Cl-后，置于烘箱中烘至恒重，得產(chǎn)物.按正交試驗(yàn)確定合適預(yù)處理?xiàng)l件.

1.2.2 腐植酸的提取工藝

稱取50 g(精確至0.01 g)煤樣，按液固質(zhì)量比為4∶1加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%硝酸溶液，在40 ℃下攪拌60 min，離心分離，沉淀用蒸餾水清洗2～3次，置于烘箱中烘至恒重，得活化煤樣.稱取10 g(精確至0.01 g)活化煤，按照設(shè)定的固液比，加入設(shè)定濃度的NaOH溶液，并在設(shè)定溫度攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，離心分離，取清液用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2% 鹽酸調(diào)節(jié)pH=2，離心分離，沉淀水洗至無Cl-后，置于烘箱中烘至恒重，得產(chǎn)物.按正交試驗(yàn)確定合適提取條件.

1.2.3 腐植酸的結(jié)構(gòu)表征

紅外光譜：采用KBr壓片法，用傅里葉紅外光譜儀在波數(shù)400～4 000 cm-1范圍對樣品進(jìn)行掃描.

紫外光譜表征測定：取一定質(zhì)量待測腐植酸樣品(如2～4 mg)，加入10 mL濃度0.05 mol/L的NaHCO3溶液中，用 0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH值在8～9之間，采用紫外-可見分光光度計(jì)測定該腐植酸堿溶液吸收曲線，并測定在465 nm和665 nm波長處的吸光度，計(jì)算E4/E6值.

1.2.4 腐植酸含量的測定方法

參考國標(biāo) GB/T 11957-2001 中容量分析法測定產(chǎn)品中總腐植酸的含量[21].

1.2.5 腐植酸提取產(chǎn)率的測定方法

采用重量分析法進(jìn)行，腐植酸提取產(chǎn)率計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：Y1-提取產(chǎn)率(%)；y1-活化結(jié)束恒重后的質(zhì)量(g)；m1-活化前稱取的原煤樣質(zhì)量(g)；y2-堿提取法產(chǎn)物的質(zhì)量(g)；m2-提取前的活化煤樣的質(zhì)量(g).

2 結(jié)果與討論

2.1 褐煤氧化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

經(jīng)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，硝酸氧化預(yù)處理煤中腐植酸時(shí)，硝酸濃度(A)、液固比(B)、硝化溫度(C)、硝化時(shí)間(D)都對煤中腐植酸的提取量會有影響，故在提取工藝一定條件下，即NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、液固質(zhì)量比9∶1、反應(yīng)時(shí)間75 min、反應(yīng)溫度70 ℃.設(shè)計(jì)L16(45)正交表，采用正交試驗(yàn)法對褐煤氧化預(yù)處理?xiàng)l件的影響因素進(jìn)行優(yōu)化.以提取產(chǎn)率和腐植酸含量作為考察指標(biāo)，正交試驗(yàn)因素水平和結(jié)果如表1所示.

表1 褐煤氧化預(yù)處理正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)希望所得目標(biāo)產(chǎn)物不僅提取產(chǎn)率要高，而且腐植酸含量也要高，所以本研究的正交試驗(yàn)為多指標(biāo)正交試驗(yàn).對于多指標(biāo)正交試驗(yàn)常有兩種分析方法：綜合平衡法和綜合評分法.因綜合平衡法要對每一個(gè)指標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行分析，計(jì)算工作量大，且綜合平衡法分析結(jié)果常受主觀因素影響較大[22].因此本研究采用綜合評分法進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析.

用綜合評分法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，需先將兩個(gè)指標(biāo)換成它們的隸屬度[22]：隸屬度=(指標(biāo)值-指標(biāo)最小值) / (指標(biāo)最大值-指標(biāo)最小值).因本實(shí)驗(yàn)既要考慮提取產(chǎn)率又要考慮腐植酸含量，并且希望兩者都越大越好.假設(shè)兩指標(biāo)的重要性程度都一樣，將兩指標(biāo)的權(quán)重各取為0.5，所以每號試驗(yàn)的綜合分?jǐn)?shù)=提取產(chǎn)率隸屬度× 0.5+腐植酸含量隸屬度× 0.5.當(dāng)綜合分?jǐn)?shù)值越大時(shí)，表示提取產(chǎn)率越高，腐植酸含量也越高.由表1中Ki值結(jié)果可看出，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨硝酸濃度增大，綜合分?jǐn)?shù)KA在增大；隨液固比增大或溫度升高或反應(yīng)時(shí)間延長，綜合分?jǐn)?shù)KB、KC、KD基本都呈先增大后減小趨勢.這是因?yàn)楹置河孟跛峄罨瘜俜蔷嗟墓?液反應(yīng),反應(yīng)本身就慢，當(dāng)硝酸濃度過低時(shí)，活化反應(yīng)不完全,提取產(chǎn)率和腐植酸含量都低，隨硝酸濃度適當(dāng)增大，體系中單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增多，反應(yīng)加快，并且硝酸能夠把褐煤中的大分子物質(zhì)氧化降解為腐植酸，提取產(chǎn)率和腐植酸含量都增高.但要注意硝酸濃度不能過高，否則強(qiáng)氧化性的硝酸，使反應(yīng)加劇，并使煤中的部分大分子物質(zhì)分解為水溶性的小分子物質(zhì)，破壞腐植酸的分子結(jié)構(gòu)，使提取產(chǎn)率和腐植酸含量都下降，同時(shí)還會造成試劑浪費(fèi).

當(dāng)液固質(zhì)量比為10∶1、溫度為70 ℃、反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，提取產(chǎn)率和腐植酸含量達(dá)到最大.原因可能是由于硝酸的強(qiáng)氧化性，過多的硝酸會把難溶的大分子進(jìn)一步氧化成溶于水的低分子物，使提取產(chǎn)率和腐植酸含量都下降；溫度升高使得物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)加快，褐煤中結(jié)合態(tài)的腐植酸鈣、腐植酸鎂等物質(zhì)能夠快速轉(zhuǎn)化為游離態(tài)腐植酸，提取產(chǎn)率和腐植酸含量增加.但腐植酸熱穩(wěn)定性較差，過高溫度下很容易脫羧、脫羥基、裂解，同時(shí)硝酸的氧化作用加劇，會破壞腐植酸的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致提取產(chǎn)率和腐植酸含量下降；反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，反應(yīng)不完全，以腐植酸鹽形式存在的腐植酸未能完全游離出來，提取產(chǎn)率和腐植酸含量會低些，但時(shí)間過長，硝酸的強(qiáng)氧化性把部分腐植酸氧化成小分子的非腐植酸物質(zhì)并溶解于水中，而導(dǎo)致提取產(chǎn)率和腐植酸含量降低.

根據(jù)極差值的大小，可以判斷各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次.由表1可看出，影響提取產(chǎn)率和腐植酸含量大小各因素的主次順序?yàn)锳>C>B>D，預(yù)處理時(shí)最優(yōu)方案為A4B3C3D3.即硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%、液固質(zhì)量比10∶1、硝化溫度70℃、硝化時(shí)間60 min.

2.2 腐植酸的提取工藝實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

在固定褐煤氧化預(yù)處理?xiàng)l件如質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%硝酸、液固質(zhì)量比4∶1、反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)時(shí)間60 min基礎(chǔ)上，對褐煤中腐植酸的堿溶提取工藝進(jìn)一步優(yōu)化.以NaOH濃度(A)、液固比(B)、反應(yīng)溫度(C)和反應(yīng)時(shí)間(D)作為四個(gè)影響因素，各選四個(gè)水平，以提取產(chǎn)率作為考察指標(biāo).按L16(45)正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，因素水平和所得結(jié)果如表2所示.

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表2中值數(shù)據(jù)可看出：隨NaOH濃度增大、液固比增大、溫度升高、反應(yīng)時(shí)間增長，提取產(chǎn)率都呈先增大后減小趨勢.這是因?yàn)楫?dāng)NaOH濃度過小、液固比過低時(shí)，堿溶過程不充分，體系中腐植酸未能完全溶解生成腐植酸鈉，故提取產(chǎn)率較低.NaOH濃度和液固比過高時(shí)，堿液可能會把腐植酸分解成能溶于堿、酸的非腐植酸類小分子，造成提取產(chǎn)率下降，同時(shí)浪費(fèi)NaOH； 溫度低于60 ℃時(shí),反應(yīng)慢，升高溫度可加速分子運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)速率也會隨之增大，對反應(yīng)有利，提取產(chǎn)率會隨之升高.但溫度也不宜太高，高于60 ℃時(shí)，熱穩(wěn)定性較差的腐植酸會慢慢分解，導(dǎo)致提取產(chǎn)率下降，同時(shí)能耗也會增大，生產(chǎn)成本增加；堿溶時(shí)間太短，提取反應(yīng)不夠充分，提取產(chǎn)率低，但堿溶時(shí)間過長，腐植酸可能會發(fā)生分解,反而使提取產(chǎn)率降低.

由表2極差數(shù)據(jù)可看出，四個(gè)因素對提取產(chǎn)率高低影響的主次程度依次為：NaOH濃度﹥液固比﹥反應(yīng)溫度﹥反應(yīng)時(shí)間.即NaOH濃度影響最大最顯著，其次是液固比，而反應(yīng)時(shí)間影響最小.結(jié)果表明：腐植酸提取的最優(yōu)方案為A3B3C3D3，即NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，液固質(zhì)量比8∶1，反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時(shí)間60min.

2.3 褐煤優(yōu)化提取工藝條件的驗(yàn)證

取煤樣適量，按照1.2.1和1.2.2介紹方法，在硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%、活化時(shí)液固質(zhì)量比10∶1、硝化溫度70 ℃、硝化時(shí)間60min條件下活化處理褐煤.經(jīng)離心分離、沉淀水洗干燥后，再在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、堿溶時(shí)液固質(zhì)量比8∶1、于60 ℃反應(yīng)時(shí)間60min條件下進(jìn)行提取，平行提取三次，最終目標(biāo)產(chǎn)物的提取產(chǎn)率為60.86%，腐植酸的含量為69.66%，變異系數(shù)為0.58%.

2.4 目標(biāo)產(chǎn)物的紅外光譜表征

提取的腐植酸的紅外光譜如圖1所示.從圖1的紅外光譜可看出：3 408cm-1寬而強(qiáng)峰是締合-OH伸縮振動(dòng)、羧基上的-OH伸縮振動(dòng)以及酰胺基中N-H伸縮振動(dòng)的疊加吸收峰; 2 926cm-1是脂肪烴上C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 701cm-1強(qiáng)峰是芳香族酸、酰胺、酮基中C=O的伸縮振動(dòng)相互疊加吸收峰；1 585cm-1強(qiáng)而尖峰為芳環(huán)烴中C=C、酰胺基中N-H的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 372cm-1為醇羥基、芳羥基中O-H彎曲振動(dòng)、以及脂肪烴中C-H彎曲振動(dòng)的吸收峰；1 240cm-1為羧酸類物質(zhì)中的O-H彎曲振動(dòng)，以及羧酸、醇類、酚類中C-O伸縮振動(dòng)共同作用產(chǎn)生的峰；1 028cm-1為芳基烷基醚中C-O-C的吸收峰，760cm-1處有芳核上的C-H彎曲振動(dòng)峰.分析表明，產(chǎn)物腐植酸含有芳環(huán)、羧基、酰胺基、醇羥基、酚羥基、芳基烷基醚、脂肪烴等官能團(tuán).

圖1 提取的腐植酸的紅外光圖

2.5 目標(biāo)產(chǎn)物的紫外-可見光譜分析

提取的腐植酸的紫外-可見光譜如圖2所示.芳香苯環(huán)共軛雙鍵的π→π*躍遷產(chǎn)生的特征吸收帶E帶λmax約在210nm.由圖2看出，提取的腐植酸紫外最強(qiáng)吸收帶的λmax約為320nm，高于210nm，波長出現(xiàn)紅移，原因之一是提取的腐植酸為稠環(huán)芳烴，環(huán)數(shù)增多，共軛鏈增長引起；原因之二可能是苯環(huán)分子結(jié)構(gòu)中含有苯羥基、苯羧酸基、苯環(huán)和共軛雙鍵等多種發(fā)色官能團(tuán)或助色團(tuán)存在，出現(xiàn)π→π*躍遷、n→π*躍遷共同作用.另外，隨著波長的增大，吸光度先逐漸增加而后減小，腐植酸的紫外光譜是單調(diào)而無特征性的，本研究提取的腐植酸在320nm附近有一個(gè)寬吸收帶.

圖2 提取的腐植酸的紫外-可見光譜圖

腐植酸溶液在465nm和665nm處的吸光度之比(E4/E6)是表征腐植酸結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)，是代表腐植酸芳香縮合程度的特征函數(shù).一般情況下，E4/E6值越低，該腐植酸的芳香化程度越高[23-25].E4/E6值同時(shí)也是腐植酸分子量的一個(gè)特征函數(shù)，該比值越低，腐植酸分子量越大[23-25]，因此其比值可作為腐植酸物質(zhì)表觀分子量的指標(biāo).E4/E6與腐植酸表觀分子量M的關(guān)系為[24]：

(2)

由圖2得知，提取的腐植酸在465nm及665nm處的吸光度值分別為0.248及 0.030，其E4/E6=8.27，計(jì)算得到腐植酸表觀分子量為28 477.與文獻(xiàn)[25]比較可知，本文提取的腐殖酸E4/E6值較大，說明芳構(gòu)化程度較低，表觀分子量較小.結(jié)合紅外分析，說明腐植酸分子結(jié)構(gòu)中含有較多含氧官能團(tuán)，較少脂肪結(jié)構(gòu)，因此其活性較高.

3 結(jié)論

(1)甘肅某地褐煤中腐植酸的提取適宜優(yōu)化工藝條件為：硝酸活化預(yù)處理時(shí)按液固質(zhì)量比10∶1 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)14% 硝酸，在70 ℃活化反應(yīng)60min；堿溶時(shí)則按液固質(zhì)量比8∶1加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%NaOH溶液，在60 ℃反應(yīng)60min.在該工藝條件下目標(biāo)物的提取產(chǎn)率為60.86%，腐植酸的含量為69.66%.

(2)紅外光譜分析得知，所提取的腐植酸中含有羧基、酚羥基、芳環(huán)基、醇羥基、羰基、酰胺基、脂肪烴等官能基團(tuán).

(3)紫外光譜分析得出，提取的腐植酸紫外最強(qiáng)吸收帶的λmax約為320nm，含稠環(huán)芳烴，有苯羧酸基、苯羥基、苯環(huán)和共軛雙鍵等多種發(fā)色官能團(tuán)或助色團(tuán)存在.E4/E6值為 8.27，比值較大，芳構(gòu)化程度較低，表觀分子量(為28 477)較小，其活性較高.

(4)擬定了從褐煤中提取腐植酸的技術(shù)路線和操作工藝流程，該技術(shù)操作過程包括：褐煤研磨、氧化預(yù)處理，反應(yīng)提取、分離除雜和干燥.提取的腐植酸活性較高，能從褐煤中直接提取有價(jià)值的資源——腐植酸，實(shí)現(xiàn)資源化利用.該腐植酸可加工制成有機(jī)肥、有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥或土壤調(diào)節(jié)劑，預(yù)計(jì)將有更明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益.