超聲波-KOH聯(lián)合提取腐植酸工藝研究

胡一奇，張 強(qiáng)，楊治平 ，閆 敏

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原 030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原 030031）

腐植酸是動(dòng)植物殘?bào)w通過(guò)復(fù)雜的生物、化學(xué)作用形成的一種高分子化合物，它富含多種活性基團(tuán)[1]，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[2]。我國(guó)風(fēng)化煤的儲(chǔ)量非常豐富，估計(jì)有近1 000億t[3]，且分布范圍極廣，其中，山西省的含量十分巨大。風(fēng)化煤中含有大量的可再生腐植酸，是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成成分，可以改良土壤結(jié)構(gòu)、pH以及其他理化性質(zhì)，起到活化土壤的作用，是腐植酸的主要來(lái)源之一[3-5]。

關(guān)于礦源腐植酸的提取方法，國(guó)內(nèi)外已有大量的研究，主要有酸抽提法、微生物溶解法及堿抽提法3種[6-8]。而研究中使用較多的是堿抽提法，即“堿溶酸析”法，采用該方法生產(chǎn)腐植酸。腐植酸以游離酸及其金屬鹽（腐植酸鹽）式的形態(tài)存在于煤中，但在煤中含量較低，使得其產(chǎn)率也較低。因此，在提取時(shí)需要進(jìn)行預(yù)處理，目前多采用硝酸氧化預(yù)處理，但環(huán)境污染大[9]。關(guān)于如何提高腐植酸產(chǎn)率、減輕環(huán)境污染已成為工業(yè)中的一大難題。學(xué)者們對(duì)褐煤、泥炭、草炭等低質(zhì)煤中提取腐植酸進(jìn)行了大量研究。關(guān)于超聲波活化提取也有很多研究，超聲波可以破壞風(fēng)化煤的物理結(jié)構(gòu)[10]，增加風(fēng)化煤與提取液的接觸面，以此提高風(fēng)化煤腐植酸的提取率。

本研究采用超聲波的預(yù)處理方法，與KOH溶液共同提取風(fēng)化煤腐植酸肥料，通過(guò)腐植酸含量和提取率來(lái)確定提取腐植酸的最佳工藝參數(shù)，并研究了其結(jié)構(gòu)變化，對(duì)開(kāi)發(fā)煤炭的非燃料利用新途徑具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為風(fēng)化煤（山西霍州），其總腐植酸含量34.45%，游離腐植酸含量34.43%，水溶腐植酸含量0.3076%，黃腐酸含量0.31%。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取500 g風(fēng)化煤，放入5 000 mL燒杯中，按一定比例加入KOH溶液，攪拌均勻后，放入超聲波碳粉分離機(jī)處理池中，按照設(shè)定功率、時(shí)間和溫度進(jìn)行樣品處理。處理完畢后，靜置過(guò)夜（14 h），離心，得到上清液，備用；將部分上清液用冷凍干燥機(jī)制成粉劑，備用。

1.2.1 測(cè)定最佳KOH濃度 選用超聲波功率300W，時(shí)間40 min，溫度40℃，固液比1∶8，按KOH液體濃度分別為0.5%，1%，2%，3%測(cè)定腐植酸含量，得出最佳KOH濃度。

1.2.2 測(cè)定最佳固液比 選用超聲波功率300 W，時(shí)間40 min，溫度40℃，最佳KOH濃度的溶液，按固液比 1∶2，1∶4，1∶8，1∶10，1∶12，1∶16 的比例測(cè)定腐植酸含量，得出最佳固液比。

1.2.3 測(cè)定最佳提取時(shí)間 選用最佳KOH濃度的溶液，最佳固液比，超聲波功率300 W，溫度40℃，按時(shí)間15，30，45min測(cè)定腐植酸含量，得出最佳提取時(shí)間。

1.2.4 測(cè)定最佳功率 選用最佳KOH濃度的溶液，最佳固液比，最佳時(shí)間，溫度40℃，按功率75，150，300，600，900 W 測(cè)定腐植酸含量，得出最佳功率。

1.2.5 測(cè)定最佳溫度 選用最佳KOH濃度的溶液，最佳固液比，最佳功率，最佳時(shí)間，按溫度30，45，60℃測(cè)定腐植酸含量，得出最佳溫度。

1.2.6 水溶腐植酸的測(cè)定 參照鮑士旦[11]的分析方法測(cè)定游離腐植酸，將提取液改為純凈水。

1.2.7 紅外光譜測(cè)定 采用VECTOR22型傅立葉紅外光譜儀對(duì)所聯(lián)合提取的腐植酸粉劑、超聲波處理的風(fēng)化煤樣品和原風(fēng)化煤樣品進(jìn)行測(cè)試。將樣品進(jìn)行 KBr壓片，測(cè)試條件為：4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為32次，分辨率為4 cm-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同KOH濃度對(duì)腐植酸提取的影響

從圖1可以看出，水溶腐植酸的含量和提取率與KOH溶液的濃度呈正相關(guān)，隨著提取液中KOH濃度的增大而增加；在KOH溶液濃度為2%后曲線轉(zhuǎn)緩，2%KOH處理與3%KOH處理間差異不明顯，故選出提取風(fēng)化煤腐植酸的KOH溶液濃度最佳為2%，其水溶腐植酸含量和提取率分別達(dá)到了19.64%和56.12%。

2.2 不同固液比對(duì)腐植酸提取的影響

從圖2可以看出，水溶腐植酸的含量和提取率隨著固液比比例的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，即風(fēng)化煤在提取過(guò)程中所占比例越小所得腐植酸越多，提取效率也越高。從1∶2處理到1∶8處理，提取率直線上升，但在1∶8處理至1∶16處理間則表現(xiàn)平緩，差異不明顯，可能是由于此時(shí)提取率已接近最高，故選用1∶8為最佳固液比，其水溶性腐植酸含量和提取率分別達(dá)到了20.85%和59.61%。

2.3 不同提取時(shí)間對(duì)腐植酸提取的影響

從圖3可以看出，提取時(shí)間對(duì)提取結(jié)果的影響為逐漸上升的趨勢(shì)，提取時(shí)間為30，45 min的處理好于提取時(shí)間為15 min的處理，但二者之間差異較小。因此，選擇30 min作為提取參數(shù)，其水溶腐植酸含量為20.82%，提取率達(dá)到59.55%。

2.4 不同超聲波功率對(duì)腐植酸提取的影響

從圖4可以看出，超聲波功率對(duì)提取結(jié)果的影響呈先上升后下降的趨勢(shì)，在超聲波功率為150 W時(shí)，水溶腐植酸含量和提取率均較高，分別達(dá)到了22.34%和63.97%。所以，超聲波功率選取150 W作為最佳參數(shù)。

2.5 不同溫度對(duì)腐植酸提取的影響

從圖5可以看出，提取溫度對(duì)水溶性腐植酸含量和提取率的影響存在先上升后下降的趨勢(shì)，在溫度為45℃時(shí)，其值達(dá)到最高，分別為22.81%和65.32%。所以，選取溫度45℃為最佳溫度參數(shù)。

2.6 紅外光譜分析結(jié)果

由圖6可知，風(fēng)化煤經(jīng)過(guò)超聲波處理的樣品（T2）的紅外光譜與風(fēng)化煤原樣品（T1）的紅外光譜曲線很相似，在1 296～1 202 cm-1處有明顯的加強(qiáng)峰和肩峰，此處為酚、醇鍵的吸收峰，說(shuō)明超聲波處理增加了酚、醇官能團(tuán)的含量。

由圖7可知，風(fēng)化煤經(jīng)過(guò)聯(lián)合提取的腐植酸樣品（T4）的紅外光譜與風(fēng)化煤經(jīng)過(guò)KOH處理的腐植酸樣品（T3）的紅外光譜曲線很相似，在1 031 cm-1處有明顯的加強(qiáng)峰，且是由酚羥基的特征吸收峰和Si-O振動(dòng)引起的；在690～430 cm-1處有明顯的平緩加強(qiáng)峰和一些肩峰，可能與芳環(huán)上C-H的面外彎曲振動(dòng)有關(guān)，有利于改善腐植酸的離子交換性等。從圖7還可以看出，在提取的腐植酸譜線與KOH處理的譜線接近，說(shuō)明提取中以KOH的作用為主，超聲波處理起到活化的作用。

3 結(jié)論與討論

風(fēng)化煤腐植酸是由成煤物質(zhì)經(jīng)生物化學(xué)等復(fù)雜作用或經(jīng)氧化（包含風(fēng)化）而形成能溶于稀苛性堿（KOH，NaOH）溶液的多種縮合芳香烴基、羧酸基化合物的混合物[12]。結(jié)合態(tài)腐植酸的生物活性很低，一般不能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中直接使用，而游離腐植酸具有較高的遷移性、反應(yīng)性，在腐植酸的活性作用當(dāng)中占主要功能[13-14]。礦源腐植酸多存在于低階煤中，例如風(fēng)化煤、褐煤以及泥炭等，在我國(guó)擁有豐富的礦產(chǎn)資源，儲(chǔ)量豐富，種類多元且分布廣泛[15]，為我國(guó)的煤質(zhì)腐植酸的研究以及腐植酸的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[16]。但低階煤的活性低，直接導(dǎo)致了礦源腐植酸的制備率低，且不環(huán)保。

超聲波是一種頻率高于20 000 Hz的聲波，其方向性好，穿透力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用[17]。其在高分子化合物降解、有機(jī)合成、提取分離等方面得到了廣泛的研究及應(yīng)用[18]，湯錦程等以油茶籽油油腳為原料，采用干式皂化、超聲波強(qiáng)化無(wú)水乙醇提取甾醇，探討了各因素對(duì)提取甾醇得率的影響[19]。李粉玲等研究了超波輔助法提取鳳凰茶多糖的最佳提取條件為：料液比1∶40、超聲波功率350 W、超聲時(shí)間20 min、超聲溫度70℃[20]。鐘世霞等[21]以風(fēng)化煤為原材料，風(fēng)化煤腐植酸的最佳活化條件為水煤比8∶1、超聲波功率200 W、時(shí)間25 min。與本試驗(yàn)結(jié)果相似，即超聲波-KOH聯(lián)合提取風(fēng)化煤腐植酸的最佳條件是KOH溶液濃度為2%、固液比1∶8、超聲波功率150 W、活化時(shí)間30 min、溫度為45℃。同時(shí)，超聲波-KOH聯(lián)合提取腐植酸可使提取率達(dá)到65%以上，大大提高了腐植酸的產(chǎn)出效果。雖然提取率受多個(gè)因素的影響，但KOH溶液和固液比為主要影響因子，也就是說(shuō)，與堿的提取效率相比，超聲波處理只起到活化的作用。另外，從紅外分析腐植酸與風(fēng)化煤結(jié)構(gòu)的變化顯示，超聲波可以增加腐植酸的活性官能團(tuán)，提高腐植酸的活性及施用效果，利于腐植酸在土壤肥力、土壤修復(fù)和土壤改良效果上的應(yīng)用及機(jī)制研究。