水熱法從玉米秸稈中提取腐植酸的工藝條件優(yōu)化

吳鵬　韓宇超　白佳鑫　華笑非　趙金明

摘要 [目的]優(yōu)化水熱處理玉米秸稈提取腐植酸的工藝條件。[方法]以氫氧化鈉溶液為溶劑水熱處理玉米秸稈。利用單因素試驗(yàn)探究水熱時(shí)間、溫度、氫氧化鈉濃度、固液比等對(duì)腐植酸產(chǎn)率的影響，并用正交試驗(yàn)優(yōu)化制備條件;采用紫外可見光譜和重鉻酸鉀滴定法測(cè)定腐植酸的含量，用傅里葉紅外光譜對(duì)制備的腐植酸基團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。[結(jié)果]優(yōu)化的工藝條件如下：水熱時(shí)間5 h，水熱溫度為200 ℃，固液比1∶10，氫氧化鈉溶液濃度0.75 ?mol/L;在此條件下腐植酸的提取量高達(dá)0.48 g/g。傅立葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜（FTIR）分析結(jié)果表明，提取樣品中除存在芳香環(huán)結(jié)構(gòu)外，還含有大量的醇羥基、醛基、羧基、羰基等酸性結(jié)構(gòu)。[結(jié)論]該工藝研究為從玉米秸稈中制備腐植酸提供了技術(shù)方案和理論支持，為玉米秸稈的資源化利用提供了新途徑。

關(guān)鍵詞 玉米秸稈;水熱法;腐植酸;工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào) S216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）11-0190-04

Abstract [Objective]To optimum the process conditions for extraction of humic acid from corn straw by hydrothermal treatment. [Method]The corn straw was treated by hydrothermal method using sodium hydroxide solution as solvent， and the content of humic acid was determined by UVVis and potassium dichromate titration， respectively. The effects of hydrothermal time， temperature， sodium hydroxide concentration， and solidliquid ratio on the yield of humic acid were explored by single factor experiments， and the process conditions were optimized via orthogonal experiment. Then， the group structure of the humic acid was determined by FTIR. [Result]Orthogonal experimental results showed that the optimum conditions were as follows： hydrothermal time was 5 h， hydrothermal temperature was 200 ℃， solidliquid ratio was 1∶10， and sodium hydroxide solution concentration was 0.75 mol/L. Under the optimal conditions， the extraction quality of humic acid was as high as 0.48 g/g corn stalks. The results of FTIR characterization showed that the aromatic ring structure， alcohol hydroxyl， phenolic hydroxyl， aldehyde， carboxyl， carbonyl， and other acidic structures were presenced in the humic acid. [Conclusion]The process research provided technical scheme and theoretical support for the preparation of humic acid from corn stalk， and provided a new way for the resource utilization of corn stalk.

Key words Corn stalk;Hydrothermal method;Humic acid;Optimization of pcrocess conditions

我國(guó)是糧食玉米種植大國(guó)，玉米秸稈年產(chǎn)量高達(dá)7億t[1]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民已經(jīng)逐漸放棄采用秸稈作為生活燃料，因而造成了大量的玉米秸稈堆置或被露天焚燒，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。為解決這一問題，我國(guó)政府鼓勵(lì)玉米秸稈的綜合利用。目前對(duì)玉米秸稈的主要資源化處理方式有秸稈氣化[3]、秸稈發(fā)酵制乙醇[4]、秸稈飼料加工等[5]，這些處理方式有的投資大或者工藝過程復(fù)雜，探索新的處理和利用方式是玉米秸稈資源化利用的必然趨勢(shì)。

腐植酸是自然界中廣泛存在的大分子有機(jī)物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、牧、石油、化工、建材、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域[6-8]。在農(nóng)業(yè)方面，與氮、磷、鉀等元素結(jié)合制成的腐植酸類肥料，具有明顯的肥料增效、改良土壤、刺激作物生長(zhǎng)、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等功能[9]。尤其在提倡生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)、無公害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、綠色食品、無污染環(huán)保肥料的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，腐植酸肥料備受推崇。以玉米秸稈為原料，通過合理處理獲得腐植酸肥料，可實(shí)現(xiàn)玉米秸稈資源化利用的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了秸稈高效還田、獲得高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收的目的。

然而，玉米秸稈中的主要成分為性質(zhì)穩(wěn)定的纖維素、半纖維和木質(zhì)素[10]，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)較為穩(wěn)定，給玉米秸稈的化學(xué)利用造成了障礙。水熱過程是一種在高溫、高壓下在水溶液或蒸氣等流體中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的一種方法[11]，該方法以水為溶劑，創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有效地提高物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。

為了實(shí)現(xiàn)從玉米秸稈中高產(chǎn)率地提取腐植酸，筆者采用水熱法處理玉米秸稈粉末，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，通過改變堿液濃度、水熱溫度、水熱時(shí)間、固液比等參數(shù)，優(yōu)化水熱法從玉米秸稈中提取腐植酸的工藝條件，以紫外光譜和重鉻酸鉀法測(cè)定腐植酸的含量，采用紅外光譜對(duì)獲得的腐植酸進(jìn)行了初步的結(jié)構(gòu)檢測(cè)，達(dá)到高效提取腐植酸的目的，最終實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的高附加值利用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑。玉米秸稈，來自黑龍江省巴彥縣;氫氧化鈉，分析純，購(gòu)自天津市大陸化學(xué)試劑廠;重鉻酸鉀，分析純，購(gòu)自天津市永大化學(xué)試劑有限公司;濃硫酸，分析純，購(gòu)自哈爾濱市化工試劑廠;溴化鉀，光譜純，購(gòu)自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;硫酸亞鐵銨，分析純，購(gòu)自上海戶實(shí)醫(yī)藥科技有限公司;鄰菲啰啉，分析純，購(gòu)自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器。水熱均相反應(yīng)器，型號(hào)RLJX-8，為鞏義市瑞力儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品;電子天平，型號(hào)FB224，為上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品;紫外-可見光分光光度計(jì)，型號(hào)UV-1500C，為上海美析儀器有限公司產(chǎn)品;紅外光譜儀，型號(hào)FTIR-680，為天津天光光學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品;水熱反應(yīng)釜，聚PPL內(nèi)襯，為北京征巖儀器有限公司產(chǎn)品;真空抽濾機(jī)，型號(hào)L400-P3，為上海領(lǐng)德儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 玉米秸稈腐植酸的提取。首先稱取1.0 g玉米秸稈粉末，放入水熱反應(yīng)釜中，再加入一定量一定濃度的氫氧化鈉溶液，用玻璃棒攪拌均勻，密封水熱反應(yīng)釜，置于均相反應(yīng)器中，調(diào)至反應(yīng)溫度進(jìn)行水熱反應(yīng)一段時(shí)間，反應(yīng)完成后對(duì)水熱反應(yīng)物進(jìn)行抽濾，收集濾液獲得腐植酸鈉溶液。

1.2.2 腐植酸含量的測(cè)定[12]。采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定腐植酸產(chǎn)量。以濃度約0.1 mol/L的硫酸亞鐵銨溶液進(jìn)行標(biāo)定。吸取濾液5 mL，加入5 mL濃度0.4 mol/L的重鉻酸鉀溶液和15 mL濃硫酸，于100 ℃干燥箱中加熱氧化30 min，取出冷卻到室溫，用蒸餾水稀釋到100 mL左右，冷卻后加3滴鄰菲啰啉指示劑，用0.112 mol/L硫酸亞鐵銨溶液滴至磚紅色。

按照以下公式計(jì)算腐植酸的含量：

HAad=3×（V0-V1）×c÷1 000×100（1）

式中，HAad為腐植酸產(chǎn)率，單位為%;V0為滴定空白所消耗的硫酸亞鐵銨溶液的體積，單位mL;V1為滴定試液消耗的硫酸亞鐵銨的體積，單位mL;c為硫酸亞鐵銨溶液濃度，為0.112 mol/L。

1.2.3 單因素試驗(yàn)。探究堿液濃度、反應(yīng)時(shí)間、水熱溫度、固液比4個(gè)因素對(duì)水熱法提取腐植酸產(chǎn)率的影響，以稀釋100倍的腐植酸溶液的紫外光吸收值為檢測(cè)指標(biāo)，確定腐植酸的提取效果。

1.2.4 正交試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行4因素3水平的正交試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)化提取玉米秸稈腐植酸的最佳工藝條件，并在最佳工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.2.5 紅外光譜分析。對(duì)獲得的腐植酸采用酸沉淀的方法獲得固體腐植酸，采用溴化鉀壓片法分析產(chǎn)物的基團(tuán)結(jié)構(gòu)組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn) 在水熱反應(yīng)溫度180 ℃、水熱時(shí)間3 h、固液比1∶10的條件下，改變堿液濃度，考察堿液濃度對(duì)腐植酸產(chǎn)率的影響。不同堿液濃度條件下獲得溶液的紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）見圖1a所示。UV-Vis光譜顯示獲得的腐植酸溶液中3個(gè)明顯的吸收帶，結(jié)合秸稈的結(jié)構(gòu)元素組成分析，在230和273 nm附近的UV吸收來源于—CH=CH—CH=CH—和—CH=CH—CH=O中共軛雙鍵的π-π*的躍遷。300～400 nm寬范圍內(nèi)的R吸收帶源于反應(yīng)生成的—C=O等助色基團(tuán)的n-π*躍遷。UV-Vis檢測(cè)證明秸稈在水熱條件下其中的纖維素等成分發(fā)生了縮合等反應(yīng)，進(jìn)而生成了共軛雙鍵和羰基等基團(tuán)。

取273 nm處的吸光度值（A273 nm）繪制吸光度隨堿液濃度的變化曲線，見圖1b。由圖1b可知，隨著氫氧化鈉溶液濃度由0.5 mol/L增加至1.5 mol/L，腐植酸的溶液的A273 nm呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)，當(dāng)堿液濃度為0.75 mol/L時(shí)腐植酸溶液的A273 nm達(dá)到最高。究其原因，可能是因?yàn)橛衩捉斩捴械陌肜w維素具有親水性，可溶于堿溶液，堿液可以切斷半纖維素與纖維素之間的氫鍵[13]，此外堿有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素能力，可以有效脫除木質(zhì)纖維原料中的木質(zhì)素，破壞了木質(zhì)素與多糖之間的酯鍵和醚鍵，將纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分離，部分分解，并繼續(xù)相互反應(yīng)生成了腐植酸[14]。因此，在一定濃度的堿液中，腐植酸的生成量隨著堿液的濃度提高而增大，然而當(dāng)堿液濃度過高時(shí)，纖維素因在堿液中的“剝皮”反應(yīng)，逐漸解離出葡萄糖小分子，反而降低了腐植酸大分子的產(chǎn)量。

在氫氧化鈉濃度為0.75 mol/L、水熱反應(yīng)溫度180 ℃、固液比1∶10的條件下，考察水熱時(shí)間對(duì)腐植酸產(chǎn)率的影響。獲得溶液的UV-Vis見圖2a所示。從UV-Vis光譜可以看出，230～300 nm范圍內(nèi)—C=C—共軛雙鍵的吸收峰十分明顯，然而300～400 nm范圍內(nèi)—C=O的吸收峰變?nèi)酰f明隨著反應(yīng)條件的改變，羧基等助色基團(tuán)的含量會(huì)發(fā)生明顯變化。

繪制A273 nm隨時(shí)間的變化曲線，見圖2b。由圖2b可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，腐植酸產(chǎn)率經(jīng)歷了先增加后減少的變化過程，在水熱反應(yīng)時(shí)間為6 h時(shí)，腐植酸溶液的A273 nm達(dá)到最高。究其原因，這是因?yàn)樗疅岱磻?yīng)時(shí)間過短時(shí)，水熱反應(yīng)不夠完全，大量的纖維素和半纖維素還未分解;但隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，因?yàn)樗疅徇^程為還原反應(yīng)，生成腐植酸中的羧基和羰基等基團(tuán)將被還原，獲得不具有助色功能的結(jié)構(gòu)，或秸稈被炭化，因此腐植酸的產(chǎn)量反而隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。

在氫氧化鈉濃度為0.75 mol/L、水熱反應(yīng)時(shí)間6 h、固液比1∶10的條件下，考察水熱溫度對(duì)腐植酸產(chǎn)率的影響，獲得溶液的UV-Vis如圖3a所示。從UV-Vis光譜可以看出，隨著反應(yīng)溫度的變化，生成物的紫外吸收峰未發(fā)生紅移或藍(lán)移，說明在一定反應(yīng)溫度內(nèi)生成物具有相似的結(jié)構(gòu)特征，即共軛基團(tuán)和羰基等助色基團(tuán)。

繪制A273 nm隨水熱溫度的變化曲線，見圖3b。由圖3b可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，腐植酸產(chǎn)率呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，在溫度為200 ℃時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)。該現(xiàn)象可歸因于水熱溫度升高能加快有機(jī)質(zhì)的降解，但溫度過高時(shí)生成的腐植酸之間會(huì)產(chǎn)生縮合或炭化反應(yīng)，產(chǎn)率反而降低。

在氫氧化鈉濃度為0.75 mol/L，水熱時(shí)間6 h，水熱溫度為200 ℃的條件下，考察固液比對(duì)腐植酸產(chǎn)率的影響。獲得溶液的UV-Vis如圖4a所示。繪制A273 nm隨水熱溫度的變化曲線，見圖4b。由圖4b可知，隨著固液比的增加，腐植酸溶液的吸光度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)固液比為1∶10時(shí)，腐植酸溶液的吸光度達(dá)到最高。其原因在于，水熱過程中水不僅起到溶劑的作用，而且在水熱過程中提供半超臨界的溶劑條件，促進(jìn)玉米秸稈中大分子纖維素的降解，因此，當(dāng)固液比超過一定值時(shí)，提取出的腐植酸達(dá)到最大值，但因溶液比例的增大，故而腐植酸的濃度降低，紫外吸收值也會(huì)減小。此外，溶液比例增加，還有使工藝過程產(chǎn)生較多的含堿液廢水，因此，固液比應(yīng)選擇合適的比例。

2.2 正交試驗(yàn)

為了確定玉米秸稈提取腐植酸的最佳工藝條件，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以水熱反應(yīng)時(shí)間t（A）、水熱溫度T（B）、固液比（C）、氫氧化鈉溶液濃度（D）為變量，不考慮因素間的交互作用，設(shè)計(jì)了4因素3水平正交試驗(yàn)，因素與水平設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果可知，4個(gè)因素對(duì)玉米秸稈中腐植酸提取率的影響從大到小依次為水熱溫度、固液比、反應(yīng)時(shí)間、氫氧化鈉溶液濃度。根據(jù)各因素的直觀分析數(shù)據(jù)可確定最佳方案為A1B2C2D3，即正交試驗(yàn)優(yōu)化得到的最佳工藝條件如下：水熱反應(yīng)時(shí)間5 h、水熱溫度200 ℃、固液比為1∶10、氫氧化鈉溶液濃度為1.0 mol/L。

正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果表明，在0.05水平上，4個(gè)因素的各水平值不存在顯著性差異，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。相對(duì)而言，水熱溫度對(duì)腐植酸的提取率存在較顯著影響，而氫氧化鈉溶液濃度影響較小，考慮到生產(chǎn)實(shí)際對(duì)廢液的處理要求，優(yōu)化工藝中氫氧化鈉的濃度也可以設(shè)置為0.75 mol/L，即工藝條件為A1B2C2D2。

根據(jù)以上正交試驗(yàn)確定的最佳工藝條件，進(jìn)行3次平行驗(yàn)證性試驗(yàn)，獲得腐植酸的平均A273nm為0.448，高于正交試驗(yàn)中的各組數(shù)據(jù)，略高于A1B2C2D2。結(jié)果證實(shí)工藝條件得到了優(yōu)化。

采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定腐植酸產(chǎn)量表明，在優(yōu)化的水熱腐植酸提取工藝條件下，腐植酸的提取量高達(dá)0.48 g/g，實(shí)現(xiàn)了玉米秸稈的高附加值利用。

2.3 紅外光譜分析

對(duì)所獲得的腐植酸固體產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜分析見圖5。從圖5可以看出，3 300～3 500 cm-1的范圍內(nèi)的寬峰為羥基的伸縮振動(dòng)峰，其中波長(zhǎng)為3 650 cm-1 的吸收峰是由醇—C—OH伸縮振動(dòng)引起的，在1 750 cm-1處是由C=O伸縮振動(dòng)引起的吸收峰，根據(jù)腐植酸官能團(tuán)的測(cè)定在1 500～1 600 cm-1區(qū)域含有苯環(huán)吸收峰，同時(shí)在650～900 cm-1范圍內(nèi)有苯環(huán)上的C—H平面外彎曲的強(qiáng)吸收峰。在波長(zhǎng)為1 420和850 cm-1處為羧酸類或醇類的O—H振動(dòng)引起的，而在1 450 cm-1處的吸收峰是C—O伸縮振動(dòng)引起的。在1 708 cm-1處的峰是—COOH振動(dòng)引起的。在1 520 cm-1顯示了含有較多芳香族不飽和物質(zhì)C=C伸縮振動(dòng)峰，在1 400～1 500 cm-1處出現(xiàn)了—CH3和—CH2基團(tuán)的C—H變形振動(dòng)吸收峰。在波長(zhǎng)為870 cm-1有較強(qiáng)的吸收峰是由C=C伸縮振動(dòng)引起的。在波長(zhǎng)為1 248 cm-1處的波峰為羧酸的官能團(tuán)的C—O伸縮振動(dòng)。在1 125 cm-1處是醇和醚基團(tuán)的C—O伸縮振動(dòng)峰。FTIR分析表明所提取產(chǎn)物符合符合腐植酸的結(jié)構(gòu)特征，所獲產(chǎn)物為腐植酸。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)采用水熱法，以來源豐富的玉米秸稈為原料制備了腐植酸。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化了水熱法從玉米秸稈中提取腐植酸的工藝條件，即水熱反應(yīng)時(shí)間5 h、水熱溫度200 ℃、固液比為1∶10、氫氧化鈉溶液濃度為0.75 mol/L;在此工藝條件下，提取的腐植酸產(chǎn)量高達(dá)0.48 g/g秸稈;FTIR分析表明，提取的產(chǎn)物中含有羧基、羰基、醇羥基以及芳環(huán)結(jié)構(gòu)，符合腐植酸的結(jié)構(gòu)特征。該工藝研究為玉米秸稈的資源化利用提供了試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)，為其高附加值應(yīng)用提供了新途徑。

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