甘肃某地褐煤中腐植酸的提取工艺研究

黄良仙， 韩星星， 马 展， 陈 桦， 王佳惠， 牛育华

(陕西科技大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

腐植酸(又称胡敏酸Humic acid，简称HA)是动植物残骸经过微生物的分解和转化，以及地球化学的一系列复杂过程而形成的一类具有复杂结构的有机物质[1-3].广泛存在于褐煤、风化煤、泥炭以及土壤、海洋、湖泊、沼泽等中.腐植酸结构中含有羧基、酚羟基、醇羟基、醌基、胺基等多种官能团，由一个或多个稠环芳核通过桥键随机连接而组成[2，4].由于存在活性基团，腐植酸具有酸性、亲水性、络合性、吸附性及离子交换等特性，因此,腐植酸被广泛应用于农业[1，5-7]、石油开采[8,9]、废水处理[5，7，10，11]、建材[12,13]、电池业[14]、畜牧业[15]、环境保护[5，7，12]、医药[16，17]等等领域.

腐植酸的提取方法[3,14,18-20]主要有碱提法、酸提法和微生物溶解法.微生物法虽反应条件温和，可清洁转化，产物生物活性高，但生产周期长，产率低，且微生物容易发生变异失效[3，18，20].酸提法工艺简单易于操作，生产周期短，然提取率低，产品活性也低[14，20].目前主要是采用碱提法，即"碱溶酸析"法生产腐植酸.腐植酸在煤中含量较低，使得腐植酸的产率低，因此，在提取前需进行预处理.目前多采用硝酸氧化预处理.作者参照国际腐植质协会推荐方法——碱浸酸析法从褐煤中提取腐植酸，并结合预氧化处理，寻找其最佳的提取工艺条件，同时将提取的腐植酸用红外光谱、紫外-可见光谱、E4/E6进行分析表征.

1 实验部分

1.1 原料、试剂和仪器

(1)原料：煤，为甘肃某地的褐煤.首先将褐煤粉碎、磨至过80目筛网，风干得试验所需煤样备用.

(2)试剂：氢氧化钠、焦磷酸钠、硝酸、硫酸、盐酸、硫酸亚铁铵、邻菲罗啉，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；重铬酸钾，优级纯，国药集团化学试剂有限公司.

(3)仪器：101A-3 E型电热鼓风干燥箱，上海实验仪器厂有限公司； JJ-1型精密增力电动搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；Practum 6100-1CN型电子天平，北京赛多利斯天平有限公司；VECTOR-22型傅里叶红外光谱仪，德国Bruker 公司；1900S型紫外分光光度计，上海谱元仪器有限公司；HH-S3型数显恒温水浴锅，金坛市宏盛仪器厂；TG1850-WS型离心机，上海卢湘仪器有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 褐煤氧化预处理——腐植酸的活化

称取50 g(精确至0.01 g)煤样，按照设定的固液比，加入设定浓度的硝酸溶液，在设定温度下搅拌反应一定时间.离心分离，沉淀用蒸馏水清洗2～3次，置于烘箱烘至恒重，得活化煤样.称取10 g(精确至0.01 g)活化煤样，加质量分数3%NaOH溶液并使液固质量比为9∶ 1，再在70 ℃搅拌反应75 min，离心分离，取清液用质量分数为2% 盐酸调节pH=2，离心分离，沉淀水洗至无Cl-后，置于烘箱中烘至恒重，得产物.按正交试验确定合适预处理条件.

1.2.2 腐植酸的提取工艺

称取50 g(精确至0.01 g)煤样，按液固质量比为4∶1加入质量分数2%硝酸溶液，在40 ℃下搅拌60 min，离心分离，沉淀用蒸馏水清洗2～3次，置于烘箱中烘至恒重，得活化煤样.称取10 g(精确至0.01 g)活化煤，按照设定的固液比，加入设定浓度的NaOH溶液，并在设定温度搅拌反应一定时间，离心分离，取清液用质量分数2% 盐酸调节pH=2，离心分离，沉淀水洗至无Cl-后，置于烘箱中烘至恒重，得产物.按正交试验确定合适提取条件.

1.2.3 腐植酸的结构表征

红外光谱：采用KBr压片法，用傅里叶红外光谱仪在波数400～4 000 cm-1范围对样品进行扫描.

紫外光谱表征测定：取一定质量待测腐植酸样品(如2～4 mg)，加入10 mL浓度0.05 mol/L的NaHCO3溶液中，用 0.1 mol/L NaOH溶液调节其pH值在8～9之间，采用紫外-可见分光光度计测定该腐植酸碱溶液吸收曲线，并测定在465 nm和665 nm波长处的吸光度，计算E4/E6值.

1.2.4 腐植酸含量的测定方法

参考国标 GB/T 11957-2001 中容量分析法测定产品中总腐植酸的含量[21].

1.2.5 腐植酸提取产率的测定方法

采用重量分析法进行，腐植酸提取产率计算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：Y1-提取产率(%)；y1-活化结束恒重后的质量(g)；m1-活化前称取的原煤样质量(g)；y2-碱提取法产物的质量(g)；m2-提取前的活化煤样的质量(g).

2 结果与讨论

2.1 褐煤氧化预处理实验条件优化

经资料调研发现，硝酸氧化预处理煤中腐植酸时，硝酸浓度(A)、液固比(B)、硝化温度(C)、硝化时间(D)都对煤中腐植酸的提取量会有影响，故在提取工艺一定条件下，即NaOH质量分数3%、液固质量比9∶1、反应时间75 min、反应温度70 ℃.设计L16(45)正交表，采用正交试验法对褐煤氧化预处理条件的影响因素进行优化.以提取产率和腐植酸含量作为考察指标，正交试验因素水平和结果如表1所示.

表1 褐煤氧化预处理正交试验结果及分析

实验希望所得目标产物不仅提取产率要高，而且腐植酸含量也要高，所以本研究的正交试验为多指标正交试验.对于多指标正交试验常有两种分析方法：综合平衡法和综合评分法.因综合平衡法要对每一个指标单独进行分析，计算工作量大，且综合平衡法分析结果常受主观因素影响较大[22].因此本研究采用综合评分法进行试验结果分析.

用综合评分法对试验结果进行分析时，需先将两个指标换成它们的隶属度[22]：隶属度=(指标值-指标最小值) / (指标最大值-指标最小值).因本实验既要考虑提取产率又要考虑腐植酸含量，并且希望两者都越大越好.假设两指标的重要性程度都一样，将两指标的权重各取为0.5，所以每号试验的综合分数=提取产率隶属度× 0.5+腐植酸含量隶属度× 0.5.当综合分数值越大时，表示提取产率越高，腐植酸含量也越高.由表1中Ki值结果可看出，在试验条件范围内，随硝酸浓度增大，综合分数KA在增大；随液固比增大或温度升高或反应时间延长，综合分数KB、KC、KD基本都呈先增大后减小趋势.这是因为褐煤用硝酸活化属非均相的固-液反应,反应本身就慢，当硝酸浓度过低时，活化反应不完全,提取产率和腐植酸含量都低，随硝酸浓度适当增大，体系中单位体积内活化分子数增多，反应加快，并且硝酸能够把褐煤中的大分子物质氧化降解为腐植酸，提取产率和腐植酸含量都增高.但要注意硝酸浓度不能过高，否则强氧化性的硝酸，使反应加剧，并使煤中的部分大分子物质分解为水溶性的小分子物质，破坏腐植酸的分子结构，使提取产率和腐植酸含量都下降，同时还会造成试剂浪费.

当液固质量比为10∶1、温度为70 ℃、反应时间为60 min时，提取产率和腐植酸含量达到最大.原因可能是由于硝酸的强氧化性，过多的硝酸会把难溶的大分子进一步氧化成溶于水的低分子物，使提取产率和腐植酸含量都下降；温度升高使得物质分子运动加快，褐煤中结合态的腐植酸钙、腐植酸镁等物质能够快速转化为游离态腐植酸，提取产率和腐植酸含量增加.但腐植酸热稳定性较差，过高温度下很容易脱羧、脱羟基、裂解，同时硝酸的氧化作用加剧，会破坏腐植酸的分子结构，导致提取产率和腐植酸含量下降；反应时间较短时，反应不完全，以腐植酸盐形式存在的腐植酸未能完全游离出来，提取产率和腐植酸含量会低些，但时间过长，硝酸的强氧化性把部分腐植酸氧化成小分子的非腐植酸物质并溶解于水中，而导致提取产率和腐植酸含量降低.

根据极差值的大小，可以判断各因素对试验指标的影响主次.由表1可看出，影响提取产率和腐植酸含量大小各因素的主次顺序为A>C>B>D，预处理时最优方案为A4B3C3D3.即硝酸质量分数为14%、液固质量比10∶1、硝化温度70℃、硝化时间60 min.

2.2 腐植酸的提取工艺实验条件优化

在固定褐煤氧化预处理条件如质量分数2%硝酸、液固质量比4∶1、反应温度60 ℃、反应时间60 min基础上，对褐煤中腐植酸的碱溶提取工艺进一步优化.以NaOH浓度(A)、液固比(B)、反应温度(C)和反应时间(D)作为四个影响因素，各选四个水平，以提取产率作为考察指标.按L16(45)正交试验表设计正交试验，因素水平和所得结果如表2所示.

表2 正交试验结果及分析

由表2中值数据可看出：随NaOH浓度增大、液固比增大、温度升高、反应时间增长，提取产率都呈先增大后减小趋势.这是因为当NaOH浓度过小、液固比过低时，碱溶过程不充分，体系中腐植酸未能完全溶解生成腐植酸钠，故提取产率较低.NaOH浓度和液固比过高时，碱液可能会把腐植酸分解成能溶于碱、酸的非腐植酸类小分子，造成提取产率下降，同时浪费NaOH； 温度低于60 ℃时,反应慢，升高温度可加速分子运动，反应速率也会随之增大，对反应有利，提取产率会随之升高.但温度也不宜太高，高于60 ℃时，热稳定性较差的腐植酸会慢慢分解，导致提取产率下降，同时能耗也会增大，生产成本增加；碱溶时间太短，提取反应不够充分，提取产率低，但碱溶时间过长，腐植酸可能会发生分解,反而使提取产率降低.

由表2极差数据可看出，四个因素对提取产率高低影响的主次程度依次为：NaOH浓度﹥液固比﹥反应温度﹥反应时间.即NaOH浓度影响最大最显著，其次是液固比，而反应时间影响最小.结果表明：腐植酸提取的最优方案为A3B3C3D3，即NaOH质量分数3%，液固质量比8∶1，反应温度60 ℃，反应时间60min.

2.3 褐煤优化提取工艺条件的验证

取煤样适量，按照1.2.1和1.2.2介绍方法，在硝酸质量分数14%、活化时液固质量比10∶1、硝化温度70 ℃、硝化时间60min条件下活化处理褐煤.经离心分离、沉淀水洗干燥后，再在NaOH质量分数3%、碱溶时液固质量比8∶1、于60 ℃反应时间60min条件下进行提取，平行提取三次，最终目标产物的提取产率为60.86%，腐植酸的含量为69.66%，变异系数为0.58%.

2.4 目标产物的红外光谱表征

提取的腐植酸的红外光谱如图1所示.从图1的红外光谱可看出：3 408cm-1宽而强峰是缔合-OH伸缩振动、羧基上的-OH伸缩振动以及酰胺基中N-H伸缩振动的叠加吸收峰; 2 926cm-1是脂肪烃上C-H的伸缩振动吸收峰；1 701cm-1强峰是芳香族酸、酰胺、酮基中C=O的伸缩振动相互叠加吸收峰；1 585cm-1强而尖峰为芳环烃中C=C、酰胺基中N-H的伸缩振动吸收峰；1 372cm-1为醇羟基、芳羟基中O-H弯曲振动、以及脂肪烃中C-H弯曲振动的吸收峰；1 240cm-1为羧酸类物质中的O-H弯曲振动，以及羧酸、醇类、酚类中C-O伸缩振动共同作用产生的峰；1 028cm-1为芳基烷基醚中C-O-C的吸收峰，760cm-1处有芳核上的C-H弯曲振动峰.分析表明，产物腐植酸含有芳环、羧基、酰胺基、醇羟基、酚羟基、芳基烷基醚、脂肪烃等官能团.

图1 提取的腐植酸的红外光图

2.5 目标产物的紫外-可见光谱分析

提取的腐植酸的紫外-可见光谱如图2所示.芳香苯环共轭双键的π→π*跃迁产生的特征吸收带E带λmax约在210nm.由图2看出，提取的腐植酸紫外最强吸收带的λmax约为320nm，高于210nm，波长出现红移，原因之一是提取的腐植酸为稠环芳烃，环数增多，共轭链增长引起；原因之二可能是苯环分子结构中含有苯羟基、苯羧酸基、苯环和共轭双键等多种发色官能团或助色团存在，出现π→π*跃迁、n→π*跃迁共同作用.另外，随着波长的增大，吸光度先逐渐增加而后减小，腐植酸的紫外光谱是单调而无特征性的，本研究提取的腐植酸在320nm附近有一个宽吸收带.

图2 提取的腐植酸的紫外-可见光谱图

腐植酸溶液在465nm和665nm处的吸光度之比(E4/E6)是表征腐植酸结构的一个重要指标，是代表腐植酸芳香缩合程度的特征函数.一般情况下，E4/E6值越低，该腐植酸的芳香化程度越高[23-25].E4/E6值同时也是腐植酸分子量的一个特征函数，该比值越低，腐植酸分子量越大[23-25]，因此其比值可作为腐植酸物质表观分子量的指标.E4/E6与腐植酸表观分子量M的关系为[24]：

(2)

由图2得知，提取的腐植酸在465nm及665nm处的吸光度值分别为0.248及 0.030，其E4/E6=8.27，计算得到腐植酸表观分子量为28 477.与文献[25]比较可知，本文提取的腐殖酸E4/E6值较大，说明芳构化程度较低，表观分子量较小.结合红外分析，说明腐植酸分子结构中含有较多含氧官能团，较少脂肪结构，因此其活性较高.

3 结论

(1)甘肃某地褐煤中腐植酸的提取适宜优化工艺条件为：硝酸活化预处理时按液固质量比10∶1 加入质量分数14% 硝酸，在70 ℃活化反应60min；碱溶时则按液固质量比8∶1加入质量分数3%NaOH溶液，在60 ℃反应60min.在该工艺条件下目标物的提取产率为60.86%，腐植酸的含量为69.66%.

(2)红外光谱分析得知，所提取的腐植酸中含有羧基、酚羟基、芳环基、醇羟基、羰基、酰胺基、脂肪烃等官能基团.

(3)紫外光谱分析得出，提取的腐植酸紫外最强吸收带的λmax约为320nm，含稠环芳烃，有苯羧酸基、苯羟基、苯环和共轭双键等多种发色官能团或助色团存在.E4/E6值为 8.27，比值较大，芳构化程度较低，表观分子量(为28 477)较小，其活性较高.

(4)拟定了从褐煤中提取腐植酸的技术路线和操作工艺流程，该技术操作过程包括：褐煤研磨、氧化预处理，反应提取、分离除杂和干燥.提取的腐植酸活性较高，能从褐煤中直接提取有价值的资源——腐植酸，实现资源化利用.该腐植酸可加工制成有机肥、有机-无机复混肥或土壤调节剂，预计将有更明显的经济效益、社会效益和环境效益.