響應曲面法優化超聲提取風化煤中腐殖酸

牛育華， 延小雨， 羅 翼， 駱 筱

(1.陜西科技大學 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室， 陜西 西安 710021； 2.陜西農產品加工技術研究院， 陜西 西安 710021； 3.西安長慶化工集團有限公司， 陜西 西安 710018)

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響應曲面法優化超聲提取風化煤中腐殖酸

牛育華1,2， 延小雨1， 羅 翼3， 駱 筱1

(1.陜西科技大學 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室， 陜西 西安 710021； 2.陜西農產品加工技術研究院， 陜西 西安 710021； 3.西安長慶化工集團有限公司， 陜西 西安 710018)

本研究基于單因素分析實驗，利用響應曲面法對超聲提取風化煤中腐殖酸的工藝條件進行優化.選取液固比(mL/g)、超聲功率(W)、超聲時間(min)為自變量，腐殖酸提取率(%)為響應值，采用Box-Behnken設計方法，研究自變量及其交互作用對腐殖酸提取率的影響，并對實驗數據進行分析，得到自變量與響應值(腐殖酸提取率)的二次多項式回歸方程.實驗分析得出，超聲提取腐殖酸的最佳條件為：液固比為11.4 mL/g，超聲時間62 min，超聲功率220 W.通過響應曲面法優化得到的工藝參數準確、可靠，能使腐殖酸的提取率得到有效的提高，可達59.12%.

響應曲面； Box-Behnken； 風化煤； 腐殖酸

0 引言

腐殖酸(HA)在自然界中儲藏豐富，大量存在于土壤、湖泊、河流、海洋沉積物以及泥炭、褐煤、風化煤中[1-3].其主要組成元素是C、H、O、N、S等，結構比較復雜，主要含有芳香族及其他多種官能團如，醇羥基、酚羥基、羧基、甲氧基等[4,5]，具有改良土壤結構、吸附金屬離子等優良性能[6,7].在農業、醫藥衛生、石油工業、化工、污水處理等各個領域都有廣泛的應用[8,9].據了解，腐殖酸的提取方法主要有，酸抽提劑法、堿抽提劑法及微生物溶解法[10,11]，目前從煤中提取腐殖酸應用最為廣泛的方法為“堿溶酸析”法，但這種方式提取率低、能耗大、成本高，經濟效益差，因此如何提高腐殖酸的提取率，是急需解決的問題.

響應曲面法(RSM)是一種結合數學和統計學的一種用于數據優化的科學工具，利用合理的實驗設計方法，通過實驗得到一定的數據，擬合因素與響應值之間的函數關系，進而科學地描述因素與響應值之間的關系[12,13].并可以通過3D曲面和等高線圖直觀讀出最佳參數區域，比傳統正交試驗能更直觀、準確給出最佳條件[14].所以本研究將采用響應曲面法確定最佳提取工藝參數，得出因素與響應值(提取率)之間的關系式，為后續研究提供理論依據.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(1)主要試劑：風化煤(陜西省鼎天濟農腐殖酸有限公司)；氫氧化鉀(AR，天津市科密歐化學試劑有限公司)；鹽酸(AR，國藥集團化學試劑有限公司).

(2)主要儀器：KQ5200DE型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；SHZ95B多用循環水式真空泵(鞏義市予華儀器責任有限公司)；MF-3球磨機(科恒儀器有限責任公司)

1.2 實驗方法

1.2.1 腐殖酸的提取

將風化煤在球磨機上研細，取100 g研細的風化煤放入500 mL錐形瓶中，加入一定量的1.5% KOH溶液，置于KQ5200DE型超聲波清洗器中，反應一段時間后，趁熱抽濾去除不溶物雜質.待反應液冷卻后加入鹽酸調節pH至酸性，此時腐殖酸開始析出，靜置一段時間待沒有新的固體析出后，進行減壓抽濾，然后進行干燥即可得到腐殖酸產品.

1.2.2 單因素實驗方法

利用上述提取方法，分別以液固比(mL/g)、超聲時間(min)、超聲功率(W)為影響因素，對風化煤中腐殖酸進行提取，確定各因素的低、中、高水平值范圍.

1.2.3 響應曲面模型建立

本研究運用Design Expert 8.0.6軟件中Box-Behnken設計方法對風化煤中腐殖酸的提取做優化.選取液固比(X1)、超聲時間(X2)、超聲功率(X3)為自變量，腐殖酸提取率(Y)作為響應值，各因素的低、中、高水平用-1，0，1表示，得到3因素3水平的實驗模型，通過Box-Behnken設計，得到17組實驗點，其中有5個中心零點用于誤差的分析.經過實驗分析得到的二次多元回歸方程可表示為：

其中，Y為響應值(腐殖酸的提取率)，β0、β1、β2、β3、β12、β13、β23、β11、β22、β33為方程系數.

2 結果與討論

2.1 單因素實驗及其分析

2.1.1 液固比對風化煤中腐殖酸提取率的影響

為了探索不同液固比對腐殖酸提取率的影響，首先固定超聲功率為200 W，超聲時間為60 min，實驗結果如圖1所示.由圖1可知，隨著液固比的增加，風化煤中腐殖酸的提取率先增大后略有降低，最后趨于平緩.這是由于當液固比為8∶1時，此時堿液較少，不能完全將風化煤中結合態的腐殖質溶解為易溶于水的腐殖酸鈉.而當液固比大于11∶1時，堿液過量，在強堿的條件下，可能會使反應朝逆方向進行，導致少量腐植酸鈉變為不溶于水的腐殖質.當液固比達到11∶1時，提取率達到最大.綜合考慮確定液固比(mL/g)在9∶1～13∶1之間.

2.1.2 超聲功率對腐殖酸提取率的影響

為了探索不同超聲功率對腐殖酸提取率的影響，首先固定液固比為9∶1，超聲時間為60 min，實驗結果如圖2所示.由圖2可知，隨著超聲功率的增加，腐殖酸提取率先增大后降低，超聲功率在200 W左右時提取率達到最大.這是因為超聲功率增大，能提供的機械作用和熱效應增多，有利于腐殖酸從風化煤中的提取.但不能無限制的增大超聲功率，太高的聲強產生的大量機械作用[15]，可能會導致提取出的腐殖酸結構發生變化.因此，超聲功率范圍選定為100～300 W.

圖1 液固比對腐殖酸提取率的影響

圖2 超聲功率對腐殖酸提取率的影響

2.1.3 超聲時間對腐殖酸提取率的影響

為了探索不同超聲時間對風化煤中腐殖酸提取率的影響，首先固定液固比為9∶1，超聲功率為200 W.實驗結果如圖3所示.由圖3可知，隨著超聲時間的增加，腐殖酸提取率先升高后略有下降，最后趨于穩定，超聲時間在60 min左右時提取率達到最大，說明超聲時間對提取率影響較為明顯.剛開始提取時間過短會導致腐殖酸提取不充分，提取率低，但是超聲時間過長可能會導致提取出來的腐殖酸在超聲的情況下結構發生改變而使腐殖酸提取率降低，因此超聲時間范圍選定50～70 min.

2.2 響應曲面實驗結果與分析

2.2.1 RSM實驗方案

通過上述單因素實驗確定了液固比(X1)、超聲時間(X2)、超聲功率(X3)的最佳水平，其中， -1，0，1分別代表變量低、中、高水平，確定的各因素及水平實驗方案如表1所示.

圖3 超聲時間對腐殖酸提取率的影響

因素水平-101液固比/(mL/g)9:111∶113∶1超聲時間/min506070超聲功率/w150200250

2.2.2 實驗結果分析及顯著性檢驗

以液固比(X1)、超聲時間(X2)、超聲功率(X3)為影響腐殖酸提取率因素，以腐殖酸提取率(Y)作為響應值，各因素的低、中、高水平用-1、0、1表示，得到3因素3水平的實驗模型，通過Box-Behnken設計，得到17組試驗點，其中有5個中心零點用于誤差的分析，進行風化煤中腐殖酸的提取得出的結果如表2所示.

表2 Box-Behnken設計方案及腐殖酸提取率的測定結果

通過Design Expert 8.0.6對實驗得到的數據進行分析，得到關于腐殖酸提取率(Y)、液固比(X1)、超聲時間(X2)、超聲功率(X3)之間的二次多項式回歸模型：

Y=57.81+3.85X1+3.78X2+0.99X3-

對該模型進行方差分析(Analysisofvariance，ANOVA)，得出的結果如表3所示，模型系數顯著性結果如表4所示.由表3超聲提取腐殖酸回歸模型方差分析可知，模型F=28.05>F0.01(9,7)=6.72，P=0.000 1<0.01表明回歸模型顯著，說明選取的影響因子對腐殖酸的提取率有很大的影響；而且對于失擬項，F=5.760.05，失擬項不顯著，說明該模型模擬的比較好，可以使用該模型對實驗進行分析；決定系數R2=0.973 0，說明97.3%的響應值(腐殖酸提取率)變化可以通過該模型解釋.綜上，可以通過該模型對超聲提取腐殖酸率進行分析和預測.

從表4回歸模型系數顯著性結果可知，模型一次項X1(液固比)=0.000 2<0.05、X2(超聲時間)=0.002<0.05顯著，X3(超聲功率)=0.104 5>0.05不顯著；二次交互項X1X2=0.023 4、X1X3=0.019 7顯著，X2X3=0.068 0不顯著，說明液固比對腐殖酸提取率有顯著性的影響，其次是超聲時間，而超聲功率對腐殖酸的提取率影響較小；液固比和超聲功率的交互作用對腐殖酸的提取率影響較液固比和超聲時間的交互作用對腐殖酸的提取率影響較小，而超時時間和超聲功率的交互作用不顯著，因此對腐殖酸的提取率影響不明顯.

表3 超聲提取腐殖酸回歸模型方差分析

表4 超聲提取腐殖酸回歸模型系數顯著性檢驗結果

2.2.3 響應曲面結果及優化

用Design Expert 8.0.6軟件，根據Box-Behnken設計方案，得出模型的響應曲面和等高線圖，結果如圖4～6所示.

由圖4可知，液固比和超聲時間交互作用較為顯著，3D曲面圖呈鐘罩形有極大值，并且隨著液固比和超聲時間的增加，腐殖酸提取率先增加后又下降.在反應的角度上看，隨著提取時間的延長，在堿的作用下風化煤中結合態的腐殖質能夠充分溶解，形成易溶于水的腐殖酸鹽，但是時間過長會導致腐殖酸的提取率略有下降.

(b)液固比與超聲時間對腐殖酸提取率影響的等高線圖圖4 液固比與超聲時間對腐殖酸提取率影響的響應面圖及等高線圖

(a)液固比與超聲功率對腐殖酸提取率影響的3D曲面圖

(b)液固比與超聲功率對腐殖酸提取率影響的等高線圖圖5 液固比與超聲功率對腐殖酸提取率影響的響應面圖及等高線圖

由圖5可知，液固比和超聲功率交互作用對腐殖酸的提取率顯著性較小，因此3D曲面圖呈坡形，而液固比對腐殖酸提取率的影響極其顯著，有明顯的二次拋物線關系，隨著液固比的增加腐殖酸提取率增大，但是液固比過高會導致提取率的下降.而超聲功率對腐殖酸提取率的影響不顯著，表現為較為平緩的曲線.

由圖6可知，超聲時間和超聲功率的交互作用不顯著，3D曲面圖呈馬鞍形，超聲時間對腐殖酸提取率的影響較為顯著，隨著超聲時間的增加，腐殖酸提取率先增大后減小，超聲時間過長會使提取率有所下降，原因可能是超聲時間過長會破壞腐殖酸的結構，此時超聲功率對腐殖酸提取率影響較小.

通過軟件分析3D曲面圖和等高線圖可得腐殖酸最佳提取工藝條件為，液固比為11.4 mL/g，超聲時間62 min，超聲功率220 W ，在此條件下，風化煤中腐殖酸的提取率達到最大為59.12%.

本實驗還進一步驗證了利用響應曲面法優化參數的準確性，使用得出的最優提取條件進行超聲提取風化煤中腐殖酸的實驗，但是考慮到實際的情況，將得到的最優條件修正為：液固比12 mL/g，超聲時間62 min，超聲功率220 W，在此條件下連續提取5次，測得的平均提取率為58.25%，與理論預測值相比，其誤差約為0.87 %，在可接受的范圍之內.因此，使用響應曲面法優化得到的腐殖酸最佳提取條件準確、可靠，具有實際參考價值.

(a)超聲時間與超聲功率對腐殖酸提取率影響的3D曲面圖

(b)超聲時間與超聲功率對腐殖酸提取率影響的等高線圖圖6 超聲時間與超聲功率對腐殖酸提取率影響的響應面圖及等高線圖

3 結論

(1)采用Box-Behnken 設計試驗和響應曲面分析得到超聲提取風化煤中腐殖酸提取率的二次多項回歸模型，該模型相關系數R2=0.973 0，擬合程度良好，可用該模型對未知條件下腐殖酸提取率進行預測，為今后研究腐殖酸的提取提供了一定的理論指導.

(2)利用響應曲面優化得到最佳工藝條件：液固比為11.4 mL/g，超時時間62 min，超聲功率220 W，此時提取率可達59.12%，有效的提高了腐殖酸的提取率.

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【責任編輯：陳 佳】

Ultrasound-assisted extraction of humic acid from weathering coal with response surface methodology

NIU Yu-hua1,2, YAN Xiao-yu1, LUO Yi3， LUO Xiao1

(1.Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry， Ministry of Education， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China; 2.Shaanxi Research Institute of Agricultural Products Processing Technology， Xi′an 710021， China; 3.Xi′an Changqing Chemical Group Co., Ltd., Xi′an 710018， China)

Studied on the ultrasound-assisted extraction of humic acid from weathering coal based on the single test,the optimum conditions for the ultrasonic extraction of humic acid from weathering coal are investigated by using response surface methodology.The ultrasonic extraction time,ultrasonic power and the ratio of water to material are studied with Box-Behnken design and their interactive effect on the extraction rate of humic acid are also investigated.The predictive model of polynomial quadratic equation is analysed by design expert software.The results indicate that the optimum extraction conditions of the humic acid from weathering coal are as follows:Ratio of water to material 11.4 mL/g,ultrasonic time 62 minutes,ultrasonic power 220 W.The process parameters optimized by response surface method are accurate and reliable,and the extraction rate of humic acid can be effectively improved,reach to 59.12%.

reponse surface; Box-Behnken; weathering coal; humic acid

2017-02-01

陜西省科技廳農業科技攻關計劃項目(2012NKC02-09)

牛育華(1962-)，女，陜西韓城人，教授，研究方向：腐殖酸的應用

2096-398X(2017)04-0079-05

TQ019

A