響應(yīng)曲面法制備風(fēng)化煤腐植酸銨

宋潔，阮歡，張昌輝，牛育華，2，程明軒，朱軍峰

(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西 西安 710021)

我國(guó)煤炭消費(fèi)量占一次能源消費(fèi)總量的64.0%[1-2]，預(yù)計(jì)到2020年仍占能源消費(fèi)總量的60%左右[3]，近年來(lái)隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及環(huán)境友好型發(fā)展理念的提出，實(shí)現(xiàn)煤炭的轉(zhuǎn)型升級(jí)至關(guān)重要[4-5]。

風(fēng)化煤作為煤礦中的廢煤，含氧量高，熱值低[6]，含有豐富的腐植酸類物質(zhì)。該類物質(zhì)含有羧基、羥基、醌基等活性官能團(tuán)[7-8]，具有絡(luò)合土壤有害金屬離子、增加作物的抗逆性等功效[9-10]。腐植酸類物質(zhì)可溶解于堿性溶液[11]，因此本文采用氨水處理風(fēng)化煤制備腐植酸銨，對(duì)改良土壤、促進(jìn)作物生長(zhǎng)具有重要應(yīng)用價(jià)值[12]，例如王永強(qiáng)等[13]與何秀院等[14]對(duì)腐植酸銨在農(nóng)業(yè)上的研究均取得了較好的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

山西風(fēng)化煤，由侯馬市新佳友營(yíng)銷中心提供，所用風(fēng)化煤樣品分析見(jiàn)表1；氨水，分析純。

表1 煤樣元素分析表Table 1 Element analysis table of coal samples

101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱；JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器；DZKW-D-2型電熱恒溫水浴鍋；UItimaIV型X射線衍射儀；EA-2004-Ⅱ型元素分析儀；VECTOR-22型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Design Expert 8.0響應(yīng)面設(shè)計(jì)中的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以氨水濃度(A，%)、反應(yīng)時(shí)間(B，min)及氨水與風(fēng)化煤質(zhì)量比(C，g∶g)為實(shí)驗(yàn)水平，設(shè)計(jì)了3因素3水平表，見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平Table 2 Response surface design factors and levels

1.3 風(fēng)化煤中腐植酸銨的制備

稱取過(guò)100目篩網(wǎng)的烘干后的風(fēng)化煤樣品加入到反應(yīng)裝置中，按照氨水與風(fēng)化煤質(zhì)量比為14∶1的比例加入質(zhì)量濃度為5%的氨水，在溫度為80 ℃下攪拌30 min后停止，冷卻后離心處理，取上清液烘干，即得到腐植酸銨。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

借助Design Expert軟件，采用響應(yīng)曲面法Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)腐植酸銨的最佳制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，考察了各因素間的交互作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)曲面法Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Response surface methodology Box-Behnkenexperimental design and results

應(yīng)用Design Expert 8.0對(duì)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，得到實(shí)驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)值的影響可用方程Y=58.01+2.52A+4.05B+0.23C+0.58AB-0.02AC+0.013BC-2.45A2-3.81B2-1.31C2，所得到的回歸方程方差分析見(jiàn)表4。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Regression model analysis of variance

注：P<0.001為極顯著；P<0.01為高度顯著；P<0.05為顯著。

由表4可以觀察各模型間各變量之間的擬合程度，并進(jìn)一步分析各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2 各因素的交互影響及分析

通過(guò)軟件模擬分析了各因素間的交互影響作用，見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 氨水濃度和液固比對(duì)腐植酸銨制備產(chǎn)率的交互影響Fig.1 Interaction of ammonia concentration and liquid-solid ratio on the yield of ammonium humate

圖2 氨水濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)腐植酸銨制備產(chǎn)率的交互影響Fig.2 Interaction of ammonia concentration and reaction time on the yield of ammonium humate

圖3 反應(yīng)時(shí)間和液固比對(duì)腐植酸銨制備產(chǎn)率的交互影響Fig.3 Interaction of reaction time and liquid-solid ratio on the yield of ammonium humate

由圖1b～圖3b可知，沿A因素及B因素向峰值移動(dòng)，等高線密度明顯高于沿移動(dòng)的速度，這說(shuō)明A和B是影響腐植酸銨產(chǎn)率的主要因素，這與方差分析結(jié)果一致。比較圖1～圖3可知，各因素對(duì)腐植酸銨產(chǎn)率的影響順序?yàn)椋阂汗瘫?氨水濃度>反應(yīng)時(shí)間，與方差分析結(jié)果基本吻合。

等高線的形狀可看出各因素的交互情況，橢圓形反應(yīng)交互作用較強(qiáng)，圓形反應(yīng)交互作用較弱，由圖1～圖3可知，各因素間的交互作用并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的橢圓形，因此其交互影響作用并不顯著。

通過(guò)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化分析，確定了腐植酸銨的最佳制備工藝為氨水濃度為5.07%，氨水與風(fēng)化煤質(zhì)量比為14.17∶1，反應(yīng)時(shí)間為30.78 min，理論產(chǎn)率為59.910 4%。為了實(shí)驗(yàn)操作的方便現(xiàn)調(diào)整為氨水濃度為5%，氨水與風(fēng)化煤質(zhì)量比為14∶1，反應(yīng)時(shí)間為30 min，在此條件下的實(shí)際產(chǎn)率為59.84%，最佳優(yōu)化條件下的產(chǎn)率相差不大，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

2.3 結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 紅外測(cè)試 產(chǎn)物的紅外測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 腐植酸及腐植酸銨的紅外圖譜Fig.4 Infrared spectrum of humic acid and ammonium humate

由圖4a可知，腐植酸在3 440.2 cm-1處為羥基、羧基的吸收峰，1 701.1 cm-1處產(chǎn)生的吸收為羰基的吸收峰，1 606.6 cm-1附近產(chǎn)生的吸收峰為芳環(huán)中碳碳雙鍵伸縮振動(dòng)，1 375.1 cm-1處產(chǎn)生的吸收為甲基和亞甲基及酚羥基的碳氧拉伸的疊加，1 245.9 cm-1處產(chǎn)生的吸收為羥基的碳氧拉伸及芳基醚和酚的碳氧拉伸，綜合表明腐植酸中含有多種官能團(tuán)。

圖4b為腐植酸銨的紅外光譜圖，由圖可知，其在3 440.8 cm-1及3 203.6 cm-1附近產(chǎn)生強(qiáng)而寬的吸收，分別為其結(jié)構(gòu)中羥基和氨基的吸收峰，其強(qiáng)度較腐植酸強(qiáng)且寬說(shuō)明腐植酸成功轉(zhuǎn)化為腐植酸銨，且其易吸水以多聚體的形式相結(jié)合。腐植酸銨在1 573.8 cm-1處產(chǎn)生的吸收為羧基與氨水反應(yīng)后產(chǎn)生的羧酸根的碳氧反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 396.4 cm-1產(chǎn)生的較強(qiáng)吸收峰為羧酸根中碳氧雙鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)及甲基和亞甲基及酚羥基的碳氧拉伸的疊加，對(duì)比腐植酸與腐植酸銨的紅外圖可知，風(fēng)化煤中腐植酸與氨水發(fā)生了反應(yīng)。

2.3.2 XRD測(cè)試 產(chǎn)物的XRD測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5a可知，腐植酸無(wú)明顯的特征衍射峰，符合其為由多種物質(zhì)組成的無(wú)定型復(fù)雜混合物的特征，這可能與其形成過(guò)程中分子結(jié)構(gòu)中芳香層的層間距及平均鍵距有關(guān)，從而導(dǎo)致形成不同晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜的衍射峰。相比腐植酸的XRD圖，腐植酸銨(圖5b)的XRD衍射峰較腐植酸的明顯，在26.02°附近產(chǎn)生了特征衍射峰，該處衍射峰較腐植酸的強(qiáng)，且衍射峰趨于規(guī)整，這可能是腐植酸轉(zhuǎn)化為其銨鹽形式后使其結(jié)構(gòu)中層間距及平均鍵距趨向于統(tǒng)一所致，從而使其結(jié)晶度改善，衍射峰較腐植酸規(guī)整。

圖5 腐植酸及腐植酸銨的XRD圖Fig.5 XRD diagrams of humic acid and ammonium humate

2.3.3 熱重測(cè)試 原料及產(chǎn)物的熱重分析見(jiàn)圖6。

圖6 原煤及腐植酸銨的熱重圖Fig.6 Thermogravimetric diagram of raw coal and ammonium humate

由圖6a可知，原煤在100 ℃之前的質(zhì)量損失較大，為其中水分及易揮發(fā)組分受熱揮發(fā)所致，在100～350 ℃之間的質(zhì)量損失可能與其中小分子有機(jī)質(zhì)受熱揮發(fā)或分解及大分子物質(zhì)的脫氫、脫羧有關(guān)，350 ℃以下的質(zhì)量急劇變化可能與其中有機(jī)質(zhì)的高溫裂解有關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)熱分解后煤樣的殘存質(zhì)量較腐植酸鉀多，這是因?yàn)樵褐泻幸欢康臒o(wú)機(jī)灰分與礦物質(zhì)元素，而腐植酸鉀基本為有機(jī)質(zhì)且灰分較少所致，總體來(lái)看腐植酸鉀與煤樣的熱重變化趨勢(shì)既有相似也有不同，即質(zhì)量明顯變化時(shí)的溫度基本相同，而殘存物質(zhì)量不同。由圖6b腐植酸銨的熱重圖可知，在100 ℃之前其有一定量的質(zhì)量損失，這是因?yàn)楦菜徜@易吸收空氣中的水分，而在受熱時(shí)其吸收的水分則隨溫度的升高流失所致，而在100～230 ℃其質(zhì)量變化不大，而在230～350 ℃出現(xiàn)質(zhì)量損失可能與脫氫、脫羧作用有關(guān)，而在350 ℃以后的質(zhì)量變化較為明顯，可能與其分子結(jié)構(gòu)中烷氧基及苯環(huán)與苯環(huán)相連鍵的裂解有關(guān)。圖6c腐植酸的熱分解解過(guò)程與腐植酸銨的基本相似，只是其質(zhì)量損失較腐植酸銨的緩慢，這可能是因?yàn)楦菜嶂械聂然D(zhuǎn)化為酰胺基后更容易受熱脫去所致。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)響應(yīng)面法確定了山西某地風(fēng)化煤中制取腐植酸銨的最佳工藝條件為：氨水濃度為5%，風(fēng)化煤與氨水質(zhì)量比為1∶14，反應(yīng)時(shí)間為30 min，在此條件下制備的腐植酸銨產(chǎn)率可達(dá)59.84%。

(2)紅外光譜分析表明腐植酸銨和腐植酸具有羥基、酰胺基、羧基等活性官能團(tuán)，XRD分析表明腐植酸銨的晶體結(jié)構(gòu)較腐植酸明顯，熱重分析表明腐植酸銨與腐植酸具有相似的失重變化，且與原煤樣的失重分解走勢(shì)相同。