稻秸稈硝解制備黃腐酸和腐植酸研究

李斌斌， 吳詩(shī)勇， 吳幼青， 黃 勝， 高晉生

（華東理工大學(xué)能源化工系，上海 200237）

黃腐酸（FA）和腐植酸（HA）是腐殖質(zhì)中無(wú)定形的有機(jī)混合物[1]，F(xiàn)A 相較于HA 具有更小的分子量和更高的生物活性，并含有豐富的羧基、酚羥基、醌基、甲氧基等多種官能團(tuán)[2]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)[3]、工業(yè)[4]、醫(yī)療[5]及環(huán)境[6]等領(lǐng)域。礦物源和生化源是目前HA和FA 生產(chǎn)的主要來(lái)源，礦物源是對(duì)風(fēng)化煤、泥炭等進(jìn)行HNO3氧化[7]、雙氧水活化[8]、氨解[9]等化學(xué)活化過(guò)程后提取而得，生化源主要是通過(guò)菌種發(fā)酵生物質(zhì)資源[10]活化獲得。

研究表明，HNO3具有很強(qiáng)的氧化性，對(duì)低階煤中的有機(jī)物有降解、硝化、氧化等多重作用[11]，對(duì)于提高FA 和HA 的含量，降低其分子量，提高含氧官能團(tuán)含量作用明顯[12]。秸稈具有與低階煤較為相似的成分和結(jié)構(gòu)特征，且我國(guó)的農(nóng)作物秸稈資源豐富，各類農(nóng)作物約為7×109t，其中水稻、小麥和玉米等約有5×109t[13]，是可替代煤炭資源制取FA 和HA 的原料。以秸稈為原料與HNO3反應(yīng)制取FA 和HA 可以拓寬其生產(chǎn)途徑，并有效降解秸稈，解決秸稈焚燒污染的環(huán)境問(wèn)題[14]。

呂品等[15]用多種處理液降解秸稈制取HA，認(rèn)為采用HNO3和乙酸處理較為有效，但用化學(xué)法氧化秸稈制備HA 的研究還不夠深入。本文對(duì)HNO3氧化硝解秸稈制取FA 和HA 的工藝進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，對(duì)影響FA 和HA 收率的因素進(jìn)行考察并得出正交試驗(yàn)階段制備FA 的較優(yōu)工藝條件，對(duì)產(chǎn)物FA 和HA 進(jìn)行分析表征，為實(shí)際生產(chǎn)提供了必要的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

實(shí)驗(yàn)原料為稻秸稈，選自江蘇省高郵市，粉碎后過(guò)100 目（150 μm）篩，60 ℃烘干備用。原料的元素分析及工業(yè)分析見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)試劑為硝酸、焦磷酸鈉、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、硫酸等，均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 硝酸氧化制備HA 及產(chǎn)物分離過(guò)程

稱取稻秸稈3.00 g 置于三口燒瓶中，加入45 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HNO3溶液（溶液體積與原料質(zhì)量之比（液固比）為15 mL/g），置于磁力攪拌器加熱攪拌至80 ℃反應(yīng)1 h，冷卻抽濾分離，洗滌殘?jiān)林行?。過(guò)濾后測(cè)定濾液中的FA 含量和濾渣中HA 含量。濾液在60 ℃烘箱中烘干得到FA，濾渣加入焦磷酸鈉堿液水浴加熱抽提2 h，冷卻至室溫過(guò)濾出反應(yīng)余渣（Reaction Residue，RR），反復(fù)抽提至濾液無(wú)色。濾液中加入硫酸溶液調(diào)節(jié)pH=1，靜置24 h，過(guò)濾出HA 并在60 ℃烘箱中烘干。其他條件不變，分別調(diào)節(jié)HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和液固比，考察各個(gè)因素對(duì)HA、FA 收率的影響。收率計(jì)算方法如下：

表1原料工業(yè)分析與元素分析Table1Proximate analysis and ultimate analysis of raw materials

式中： η1為FA 收率，%； η2為HA 收率，%； η3為RR收率，%； w1為濾液中FA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%； w2為濾渣中HA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%； m 為原料的質(zhì)量，g； m1為濾液的質(zhì)量，g； m2為濾渣的質(zhì)量，g； m3為RR 的質(zhì)量，g；wAad為原料灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

在單因素探究的基礎(chǔ)上，以活性較高的FA 的收率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了四因素四水平的L16（44）的正交試驗(yàn)。選取HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和液固比3 個(gè)因素為正交試驗(yàn)考察的因素，設(shè)定反應(yīng)時(shí)間1 h，并設(shè)置了空白組。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平見(jiàn)表2。

表2正交試驗(yàn)因素與水平Table2Factors and levels of orthogonal test

1.4 產(chǎn)物表征

1.4.1 FA、HA 含量的測(cè)定 FA 含量采用NY/T 3162-2017《肥料中黃腐酸的測(cè)定 容量滴定法》[16]測(cè)定，HA 含量采用HG/T 3276-2012《腐植酸銨肥料分析方法》[17]中容量法測(cè)定。

1.4.2 元素分析 采用Vario Macro Cube（艾力蒙塔貿(mào)易（上海）有限公司生產(chǎn)）元素分析儀進(jìn)行元素分析，分析基準(zhǔn)為60 ℃烘干后的無(wú)灰基。

1.4.3 紅外光譜分析 進(jìn)行KBr 壓片，使用Nexus 470紅外光譜儀（美國(guó)尼高力公司生產(chǎn)）在4 000～400 cm?1對(duì)樣品進(jìn)行掃描。

1.4.4 紫外-可見(jiàn)光譜分析 取烘干后的FA 和HA溶于0.05 mol/L NaHCO3溶液中配制成200 mg/L 的溶液，采用UV-754N 型紫外-可見(jiàn)光分光光度儀（上海佑科儀器儀表有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行掃描，掃描范圍為190～800 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件對(duì)收率的影響

圖1 示出了HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)FA、HA 和RR 收率的影響。由圖可知，隨著HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，F(xiàn)A 的收率先升高再降低，HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)FA 收率為28.21%；HA 和RR 的收率均隨HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。這是由于在HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，反應(yīng)速率較慢，此時(shí)主要是秸稈氧化分解為分子量較大的HA 而沒(méi)有分解為分子量更小的FA，所以HA 收率為28.12%而FA 收率僅為2.52%。當(dāng)HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.1%升高到5%時(shí)反應(yīng)加快，促進(jìn)HA 分解為分子量較小的FA，HA 的收率降低到17.31%，而FA 的收率升高到29.20%。當(dāng)HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，HNO3對(duì)秸稈和HA 的繼續(xù)氧化以及對(duì)FA 的大量分解導(dǎo)致了FA、HA 和RR 收率的下降。

圖1HNO3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)收率的影響Fig.1Influence of w(HNO3) on yield

圖2 示出了反應(yīng)溫度對(duì)FA、HA 和RR 收率的影響。由圖可知，F(xiàn)A 的收率隨著溫度的升高而升高，在反應(yīng)溫度為90 ℃時(shí)收率達(dá)到了32.93%，而HA 和RR 的收率隨溫度升高而降低。表明升高溫度可以促進(jìn)HNO3氧化水解秸稈生成HA，并加快分解分子量大的HA 為分子量小的FA。當(dāng)把反應(yīng)溫度升高至100 ℃時(shí)，HNO3分解明顯，釋放出大量的棕紅色氣體，因此反應(yīng)溫度不宜過(guò)高。

圖2反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響Fig.2Influence of reaction temperature on yield

圖3 示出了反應(yīng)時(shí)間對(duì)FA、HA 和RR 收率的影響。由圖可知，F(xiàn)A 收率在30 min 時(shí)達(dá)到30.60%，之后基本保持不變；HA 和RR 收率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而略微下降。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為10 min 時(shí)，RR 的收率僅有51.05%，說(shuō)明在加熱階段，秸稈中易于氧化水解的部分已經(jīng)大量反應(yīng)，而在10 min 后RR 的收率下降較慢，說(shuō)明HNO3與秸稈的反應(yīng)很慢，主要反應(yīng)為HA分解為FA、FA 的分解及HNO3對(duì)分解產(chǎn)物的硝化作用。

圖3反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響Fig.3Influence of reaction time on yield

圖4 示出了液固比對(duì)FA、HA 和RR 收率的影響。由圖可知，提高反應(yīng)的液固比，F(xiàn)A 和RR 的收率略有升高但總體影響較小，F(xiàn)A 收率維持在30%左右，HA 收率降低也不明顯。由于秸稈密度較低，較低的液固比難以將秸稈完全浸沒(méi)，所以無(wú)法將液固比降到很低的水平，提高液固比增加了實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本和后續(xù)處理成本卻收效甚微，因此將液固比維持在15 mL/g 以下較為合適。

圖4液固比對(duì)收率的影響Fig.4Influence of liquid-solid ratio on yield

由以上研究可知，HNO3與秸稈的反應(yīng)主要分為3 個(gè)階段：秸稈首先分解為分子量較大的HA，其次HA 繼續(xù)分解為活性較高、分子量較小的FA，最后FA 徹底分解為CO2和H2O。秸稈硝解制備HA和FA 的工藝條件中HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)HA 和FA 的收率影響較大，液固比對(duì)其收率的影響較小。HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.1%提高到5%，反應(yīng)溫度提升到90 ℃和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至30 min 均可以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，提高活性較高的FA 的收率，超出這個(gè)范圍就會(huì)造成過(guò)度氧化而分解為CO2和H2O，所以實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中確定合理的HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間尤為重要。降低液固比對(duì)降低經(jīng)濟(jì)成本也有顯著意義。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

表3 所示為FA 和HA 收率及關(guān)于FA 和HA 收率的正交試驗(yàn)極差分析。由表3 可知，對(duì)于FA 的收率，反應(yīng)溫度的極差最大，液固比的極差最小，即在限定的條件中，反應(yīng)溫度對(duì)FA 收率影響最大，其次是HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后是液固比。對(duì)照正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果，確定在限定的條件下制備FA 的較優(yōu)工藝條件為：HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、反應(yīng)溫度90 ℃、液固比13 mL/g。由于液固比對(duì)FA 收率的影響并不明顯，考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，若應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)可以適當(dāng)降低液固比。分析HA 收率的極差和方差可得到類似的結(jié)論。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析可知，在顯著性水平（α）為0.05 的條件下，由F 檢驗(yàn)對(duì)FA 收率進(jìn)行分析可知，反應(yīng)溫度和HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的F 比分別為408.583 和29.358，均大于F 臨界值（9.28），因此，HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和反應(yīng)溫度對(duì)HA 收率具有顯著性影響，而液固比對(duì)HA 收率無(wú)顯著性影響。

按照正交試驗(yàn)得到制備FA 的較優(yōu)工藝條件，本文進(jìn)行了4 次試驗(yàn)，F(xiàn)A 的收率分別為32.80%、32.04%、32.58%、33.12%，其平均收率在32.63%左右。在該條件下的HA 的收率分別為12.46%、13.12%、12.84%、12.66%，平均收率約為12.77%。

表3正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Table3Results and analysis of orthogonal test

2.3 產(chǎn)物分析

表4 示出了對(duì)在較優(yōu)條件下得到的FA 和HA進(jìn)行元素分析的結(jié)果。HA 和FA 的主要組成元素為C、H、O、N、S 及金屬元素[18]，通常情況下，較低的C 含量和較高的O 含量表明其活性較高[19]，而nC/nH和nC/nO則分別表征了其芳香化程度和酸性官能團(tuán)含量。由表4 可知，此工藝下FA 的C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.82%，相較于煤炭FA 的48%～50%[20]處于較低的水平，而HA 的C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與煤炭HA 相比也表現(xiàn)出較低的水平，表明了稻秸稈硝解制得的FA 和HA 具 有 較 高 的 活 性。FA 的nC/nO為0.87，HA 的nC/nO為1.93，都小于2，表明其結(jié)構(gòu)中具有較多的酸性基團(tuán)。HA 的nC/nH為0.73，與FA 的nC/nH（0.78）大致相當(dāng)，接近于1,表現(xiàn)出明顯的芳香特征，這一特征表明HA 溶解后易于釋放H+，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的負(fù)電荷，該負(fù)電荷對(duì)金屬元素活潑，易與Fe3+、Pb2+等重金屬離子發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的復(fù)合物[21]，在土壤修復(fù)領(lǐng)域會(huì)有較高的利用價(jià)值。

表4產(chǎn)物的元素分析Table4Ultimate analysis of products

圖5 為HA 和FA 的紅外光譜圖，分析圖譜可知，在3 450、2 360、1790、1740、1 640、1 390、667 cm?1處存在吸收峰。各吸收峰歸屬如下：3450cm?1（氫鍵締合—OH）；2360cm?1（羧酸的氫鍵締合?OH）；1790cm?1（羧酸酐對(duì)稱）；1740cm?1（羧基中的C＝O）；1640cm?1（芳香共軛雙鍵，C＝ C，C＝ O）；1390cm?1（硝基）；667 cm?1（磺基、硫醇基等振動(dòng)）。FA 紅外光譜分析結(jié)果表明，產(chǎn)物表現(xiàn)出較為明顯的芳香結(jié)構(gòu)，符合FA 的基本結(jié)構(gòu)特征。羧基、羥基等酸性官能團(tuán)是芳核的側(cè)鏈或橋碳原子被氧化的結(jié)果，證明了HNO3的氧化作用，硝基的吸收峰則證明了HNO3對(duì)秸稈的硝化作用。HA 的紅外光譜較FA 而言，在1 790、1 740、1390cm?1處的吸收峰不明顯。

圖5產(chǎn)物的紅外光譜圖Fig.5Infrared spectra of the product

圖6 為產(chǎn)物的紫外-可見(jiàn)光譜圖。E465/E665是FA 在465 nm 和665 nm 處吸光度的比值，是HA 和FA 的特征常數(shù)。鄭平[22]認(rèn)為E465/E665與其共軛程度有關(guān)，包括芳香環(huán)的共軛程度和羧基的共軛程度，共軛程度與E465/E665的大小呈負(fù)相關(guān)。FA 的E465/E665為13.87，HA 的E465/E665為8.47，相較于煤基FA 表現(xiàn)出較低的共軛程度，則意味著秸稈硝解制備的FA 和HA 擁有更小的分子量和更高的活性。由圖6 可知，F(xiàn)A 在230 nm 處有一個(gè)明顯的特征峰，而HA 的特征峰略微靠后，這可能是其中的芳香烴經(jīng)過(guò)取代造成的，在300 nm 之后均沒(méi)有明顯的特征峰。

圖6產(chǎn)物的紫外-可見(jiàn)光譜圖Fig.6UV-Visible spectra of the product

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)單因素分析和正交試驗(yàn)對(duì)HNO3氧化稻秸稈制取FA 和HA 的工藝進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，一定程度提高HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)，升高反應(yīng)溫度或延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間均可以促進(jìn)秸稈分解為HA 并進(jìn)一步分解為FA，從而提高FA 的收率，液固比對(duì)FA 收率的影響較小。

（2）正交試驗(yàn)得到的制備FA 的較優(yōu)條件為：HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、反應(yīng)溫度90 ℃、液固比13 mL/g，此條件下反應(yīng)1 h 時(shí)FA 的平均收率約為32.63%，HA 的平均收率為12.77%。

（3）對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行元素分析，F(xiàn)A 和HA的nC/nO分別為0.87 和1.93，表明產(chǎn)物具有豐富的O，因此具有較強(qiáng)的活性；FA 和HA 的nC/nH分別為0.78和0.73，接近于1，表明產(chǎn)物具有明顯的芳香結(jié)構(gòu)。紅外光譜分析結(jié)果表明FA 具有硝基腐植酸的結(jié)構(gòu)特征，證明了HNO3的氧化和硝化作用，而HA 的硝基特征不明顯。紫外-可見(jiàn)光譜分析得到FA 的E465/E665為13.87，HA的E465/E665為8.47，均高于礦源FA 和HA 的相應(yīng)值。