黃腐酸分級及結構研究

徐萬幸，張永振，劉文靜，馬璐藺，張英杰,，鞏冠群,

(1.中國礦業大學 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

由于優質煤的大量使用，褐煤已成為我國主要使用的煤，但由于褐煤的煤化程度太低，造成燃燒時會有大量的黑灰飄在空中，如果不經過洗煤處理和提煉，大量使用劣勢褐煤會導致我國霧霾問題日益嚴重。褐煤中腐植酸是一種非晶形的高分子有機化合物質，黃腐酸是其中分子量較小且活性較大的組分，因其分子量較低、易溶于多種溶劑且其在生物體內活性較高故能夠被許多生物體吸收利用。研究發現黃腐酸是由眾多含氧官能團構成的高分子有機酸，眾多含氧官能團良好的生理活性使其具有吸收、絡合和交換等功能[1-3]，廣泛應用在工業、農業、電極材料和醫藥等方面[4-6]。本文通過對國內外黃腐酸分級方法的比較，歸納了加壓超濾和透析分級等現代分級技術在黃腐酸分級過程中的應用，同時對各級分表征分析，為全面研究黃腐酸的基礎理論和科學應用提供一定的科學依據。

1 黃腐酸的分級方法

1.1 梯度淋洗法

溶劑梯度淋洗法是可利用溫度梯度與溶劑梯度相結合的制備方法，即將溶質在溶液中溶解，經減壓蒸餾除去溶劑后使其均勻分布在玻璃珠表面裝入玻璃柱中，通過溶劑和非溶劑按照不同體積比配制一系列溶液與程序升溫相結合，將溶液依次加入玻璃珠，經減壓蒸餾后可得到不同分子量的活性組分。劉誠儀等[7]利用溶劑梯度淋洗分級的方法對黃腐酸鈉分級，按數均分子量(Mn)分為355、1 003和>2 500三種活性組分。張德和等[8]使用高分子中常用的溶劑分級法對黃腐酸進行分級，即在乙醇-乙酸乙酯溶劑體系中按照不同分子量級別對黃腐酸進行研究，經淋洗分級溶解得到15個級分，此方法可以獲得較多且分子量比較均一的樣品，為下步實驗研究提供需要。

1.2 凝膠過濾法

黃腐酸凝膠過濾分級是指使用網狀結構的凝膠作為分子篩，根據黃腐酸分子大小的不同進行分離。在層析過程中采用惰性微孔網狀物質作為填料，其中交聯的聚糖是經常使用的一類物質，在整個黃腐酸分級過程中，分子量較小的部分進入填料內部，其流下所用時間較長，分子量較大部分物質無法進入填料內部，從填料外部流出所用時間短，從而把黃腐酸按照不同分子量篩分開。陳榮峰[9]采用凝膠分級的方法對風化煤中的黃腐酸進行分級，經陽離子交換樹脂交換后真空干燥，得到FA1、FA2、FA3和FA4四個活性組分，使用沸點升高法測得其數均分子量Mn，其中FA1為2 789，FA2為1 299，FA4為1 315。Anderson[10]采用凝膠滲透法利用交聯葡聚糖(G-100、G-75、G-50、G-25)成功地將腐植酸分成4個不同分子質量的組分，該方法條件溫和且再現性好。

1.3 透析分級法

透析分級的方法指利用特定的半透膜(多數用纖維素制成)，并將半透膜制成類似袋的形狀，把裝有需要分級的樣品溶液透析袋放置在緩沖液中利用擴散壓力，即半透膜兩側的濃度梯度不同，則樣品溶液中小分子量的物質被透析出來，大分子量的物質被截留在袋內，當半透膜內外兩側的濃度達到平衡時，保留在半透膜內未透析出的樣品稱為“保留液”，膜外的樣品溶液稱為“透析液”。在最近的研究中Qin等[11]用過氧化氫氧化褐煤提取黃腐酸，經離心儀器離心后得到降解液的上清夜，通過真空減壓旋轉蒸發進行濃縮并在50 ℃條件下干燥，得到黃腐酸溶液通過分子量為100～500的透析袋透析后濃縮并冷凍成固體保存，利用氣相色譜-質譜分析法對分級后的黃腐酸進行定性和定量的研究，發現此分子量范圍內的47種成分。朱輝等[12]利用透析分級方法結合氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)的保留指數(RI)，同時將峨山和尋甸兩種不同來源地的褐煤黃腐酸進行了分子量小于500的分級，并測得其揮發分的種類分別為20種占總體的88.96%和24種占總體的91.33%，兩者對比發現，其中有12種相同的成分。張水花等[13]采用了相對分子量(Mr)為1K、2K、3.5K、8K、10K和25K的透析袋對黃腐酸進行分離，獲得7個不同分子量的活性級分，利用該方法可以對小分子混合物官能團進行定性定量分析。

1.4 加壓超濾法

加壓超濾法指在一定壓力下，使黃腐酸分子量較小的一部分穿過一種小孔徑的特制超濾薄膜，而分子量較大的溶質不能透過，留在膜的一側，從而使不同孔徑截留不同分子量的物質進行分離。Li等[14]采用超濾儀器和膜分離技術將從帕霍基煤種提取的腐植酸分成八個不同分子量大小尺寸的活性組分，分別是<1，1～3，3～5，5～10，10～30，30～100，100～300和>300 kDa，并采用高效凝膠排阻色譜法對分子量分布進行了進一步的校正，證明超濾技術對腐植酸活性組分的分離是有效的。Li等[15]利用此方法，對黃腐酸分為四個級別的重均分子量Mw(<5，5～10，10～30，>30 kDa)活性組分進行研究。張靜茹[16]在最近的研究中將腐植酸鈉溶液中放入有切割分子量為4 000，10 000，30 000，50 000和70 000的超濾膜的超濾系統中分級，經表征分析得出分子量小的脂肪化程度高，分子量大的其芳香度大，該分級方法在整個分級過程中沒有相的轉移且條件比較溫和。

2 黃腐酸分級方法的比較

溶劑梯度淋洗法雖可以獲得較多且分子量比較均一的樣品，但操作復雜需嚴格控制各操作段溫度梯度以及各溶劑體積的比例，在此過程中需大量使用洗脫液容易造成浪費，且需保證流速的穩定性，否則難以得到重復性的結果；凝膠過濾分級過程中所使用填料為惰性載體，無電荷、吸附力較弱等特點，其操作溫度范圍較廣無需有機溶劑的引入，對高分子有良好的分離效果，但其分辨率不高且分子量表現在流速上的差別，在分離時需嚴格把握流速故分離較慢，同時分級產品灰分含量較高；加壓超濾法條件溫和無成分破壞，分離過程中沒有相的轉移且無須加熱，采用壓力作為分離的動力，局限性在與現有過濾器的濃差極化現象明顯，過濾時黃腐酸與超濾膜之間存在相互作用，易產生分離不均或超濾膜堵塞的現象，限制了超濾膜的循環使用；透析袋分級是近年來研究的熱點，選擇合適的半透膜能夠在較溫和條件下對混合物進行不同分子量級別活性組分的分級，具工藝過程簡單、操作安全等特點，但其依靠的是膜兩側的擴散壓來進行分級，故該操作過程耗時較長，同時存在透析袋的制作成本較高并含有微量硫化物和重金屬等雜質，使用之前必須除去，不利于大規模生產應用。

3 黃腐酸各級分表征

由于地區、原生植物和變質年代的不同等因素的影響，其煤中黃腐酸的結構、含量和組成較為復雜，且其提取方式的不同也會對黃腐酸的質量產生影響[17]。隨著現代研究手段取得進展，可通過物理和化學的方法進行分離和降解，使樣品產生分離、分級的較小的片段，再通過現代儀器進行鑒定和解析，從而推斷其大分子的結構模型。黃腐酸的應用基礎是較多的活性官能團組分，眾多學者通過分級檢測方法對其展開研究，為黃腐酸質量標準的制定提供理論依據。

黃腐酸分子量小于500的可以通過氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)結合保留指數(RI)確定化學組分的組成，通過峰面積歸一化的方法確定其組分含量。Qin[11]研究云南省峨山縣煤礦褐煤，表征發現含量超過0.1%的組分有47種，占物質總量95%，其中酯類化合物的含量高達89%，其他是一些酸類和醇類化合物。朱輝等[12]采用膜分離技術研究云南尋甸和峨山兩地分子量小于500的褐煤黃腐酸，其中乙酯類物質分別占83.37%和78.79%，相同的化學物質成分12種。以上研究更好的說明了在黃腐酸較低分子量時，存在大量的羧基，與上文研究所發現的在相對分子量較低級分中含氧官能團較多相吻合。

4 結束語

梯度淋洗和凝膠過濾分級分離精度較低，而先進的分級技術如加壓超濾和透析分級存在著成本較高，不能大規模生產等問題。故改進已有的分級技術，尋找更有效的先進分級方法和技術，實現黃腐酸的高效精細分級具有重要意義。隨著科學技術的發展，超濾、透析等分級技術將會更加完善，同時一些新型的分級技術也將不斷出現，黃腐酸的高效精細分級以及其結構組分的研究也將會有新的突破。