包頭尾礦庫區不同分子量和種類腐殖酸的提取及表征

施和平++吳瑞鳳++張靜茹++石磊++李金英

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.130

摘要：采用焦磷酸鈉萃取法提取腐殖酸，并分離得到黃腐酸、棕腐酸和黑腐酸，通過膜分離技術分離腐殖酸得到6種不同分子量的腐殖酸。對樣品用元素分析、紅外光譜、紫外分析及熒光光譜法進行了表征。結果表明，各種腐殖酸的化學組成有相似之處，但在結構上有明顯不同：（1）元素分析發現不同腐殖酸之間H/C、C/N原子比具有明顯的差異，不同分子量的腐殖酸，分子量越大芳香度越高；而3種不同類型的腐殖酸中，芳香度為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸。不同分子量腐殖酸中分子量越小的腐殖化程度越高，而不同類型的腐殖酸中黃腐酸腐殖化程度最高。（2）熒光譜圖表明不同腐殖酸中分子量越小熒光強度越強，黑腐酸、棕腐酸明顯強于黃腐酸；說明不同腐殖酸的結構存在差異。（3）紫外分析顯示，各種腐殖酸均含有芳香官能團，用E4/E6解釋腐殖酸的芳香縮合程度發現與元素分析所得結論一致。（4）紅外光譜也得出不同腐殖酸結構和特性存在相似性和差異性，均含有羧基，除黃腐酸與分子量小于10 000的腐殖酸外均含有芳環或酚類。

關鍵詞：腐殖酸；提取；表征；包頭尾礦庫區

中圖分類號： X132；O657文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0451-04

收稿日期：2015-08-18

基金項目：國家自然科學基金（編號：21167010）。

作者簡介：施和平（1970—），男，山西朔州人，博士，副教授，研究方向為環境化學。E-mail：hpshi2002@163.com。腐殖酸（humic acids，HA）是一種分子結構相似、組成復雜的天然有機化合物，廣泛存在于土壤、水體及沉積物中[1-4]。 在土壤中腐殖質約占有機質總量的85%～90%，是土壤有機質的主要組成部分。不同來源的腐殖酸，其化學組成、結構和性質有差異性[5]，研究表明腐殖酸的元素組成有C、H、O、N及少量的P、S，在泥炭和煤中，氮含量較低，碳含量較高；而土壤腐殖酸的碳和氮含量都較高，而且不同地區和種類的腐殖酸含有的羥基、羧基、醌基、羰基和甲氧基等活性官能團也不相同，這些性質和結構的差異將明顯地影響腐殖酸在環境地球化學和區域碳循環中的作用[6-7]。腐殖酸可以吸附絡合土壤和水體中的重金屬、放射性核素等污染物，因此研究污染物在土壤和水體中的遷移、轉化等行為，必須首先明確不同地區土壤和水體中腐殖酸的化學組成、性質和結構，明確其對放射性核素等的吸附絡合行為。

本研究提取了包頭尾礦地區土壤中的腐殖酸，并對其進行了分類，得到黃腐酸、棕腐酸和黑腐酸，同時利用膜分離技術對提取得到的腐殖酸進行分子量分離，得到6種不同分子量的腐殖酸，并分析其化學組成和結構，明確不同種類和不同分子量的腐殖酸的差異性。試驗結果將對重金屬、放射性核素的遷移轉化研究有重要的意義，可明確腐殖酸對重金屬、放射性核素的吸附絡合作用。

1材料與方法

1.1試驗試劑和儀器

試劑：Na2P2O7，NaOH，KOH，HCl，HF，無水乙醇。

儀器：低速離心機：80-2，常州國華電器有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S，鄭州英峪予華儀器有限公司；SCM杯式超濾器：上海斯納普膜分離科技有限公司；電熱鼓風干燥箱：SY101BS-D，天津三水科學儀器有限公司；元素分析儀：VARIOELⅢ型，德國Elementar公司；熒光分析儀：CaryEclipe，美國瓦里安公司；紫外光譜儀：UV-1800，上海美譜達儀器有限公司；傅立葉紅外光譜儀：Nexus670，美國 Nicolette 公司。

1.2腐殖酸的提取和分離[8]

腐殖酸提取采用焦磷酸鈉法；不同種類腐殖酸的分離采用氫氧化鈉法得到棕腐酸、黑腐酸和黃腐酸；不同分子量腐殖酸的分離采用加壓超濾法，使用不同分子量截留的超濾膜進行分離，得到6種不同分子量的腐殖酸，即分子量<4 000、4 000～10 000、>10 000～30 000、>30 000～50 000、>50 000～70 000 、>70 000的腐殖酸。

1.3腐殖酸的表征

對得到的10種腐殖酸分別用元素分析、熒光分析（實驗條件：發射光波長295 nm，掃描范圍350～570 nm）、紫外分析（掃描范圍800～200 nm）和紅外分析（掃描范圍：4 000 ～400 cm-1）進行了表征。

2結果與討論

2.1元素分析

10種不同種類和不同分子量的腐殖酸元素分析結果見表1。不同種類腐殖酸C、H、N元素含量有很大的差異，其中黑腐酸含C、H量最大，黃腐酸含C、H量最小；不同分子量中小于4 000的含C量最小，含C和H量基本隨分子量的增加而增大，說明不同種類和不同分子量腐殖酸的組成和結構有差異性。

腐殖酸的H/C和C/N等原子比可用來鑒別腐殖酸的來源和結構的差異性。H/C值可用于推測腐殖酸的芳香度和脂肪度[9-13]，H/C值小表明其芳香度高（不飽和程度高），H/C 值大則表明其脂肪化程度高（飽和程度高）。黃腐酸的H/C值最大，黑腐酸和棕腐酸的值較小，由此可見芳香度從大到小為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸，而脂肪度正好相反；不同分子量腐殖酸中，分子量小的H/C值最大，隨著分子量的增加H/C值逐漸減小，當分子量超過30 000，H/C值變化不大，說明分子量小的腐殖酸的脂肪化程度高（飽和程度高），而分子量大的腐殖酸的芳香度大（不飽和程度高）。腐殖酸的 C/N 值可表示腐殖酸的腐殖化度，C/N值越低，其腐殖化程度越高[11]。黃腐殖酸的C/N值特別小，其余2種腐殖酸C/N 值均大于30，表明黃腐酸的腐殖化程度最高；不同分子量腐殖酸中，分子量小于4 000的C/N值最低，說明腐殖化程度最高，大于 70 000 的C/N值最大，腐殖化程度最低，其余的 C/N 值相差不大，腐殖化程度差別不大。

2.2紫外分析

各種腐殖酸的紫外吸收譜圖見圖1、圖2。由圖1、圖2可知，各種腐殖酸有較強的紫外吸收強度，說明均含有芳香族CC鍵及其他生色團，其吸收隨波長的增加而逐漸減少，是一個混合紫外吸收光譜，且不同分子量的腐殖酸紫外吸收強度隨分子量增加而增加，說明分子量越大其縮合度也越大。除分子量小于4 000、大于70 000的和黃腐酸外，其余的腐殖酸均在 230 nm 處有1個吸收峰，說明含有取代的芳烴羧基或酚基結構[14-16]。分子量越大的腐殖酸吸收強度越大，且在可見區域也有吸收，這可能是由于大分子物質在可見區域產生的吸收所致。腐殖酸在285 nm處的紫外特征吸收峰可用來表征芳香度，285 nm處的紫外吸收值越高表明腐殖酸的芳香度越大，芳香族基團含量越高[17-18]，不同分子量的285 nm處的紫外吸收值隨分子量的增大而增加，說明芳香度隨分子量的增加而增大；不同種類腐殖酸中黑腐酸的285 nm處的紫外吸收值大于棕腐酸，棕腐酸大于黃腐酸，說明其芳香度從大到小為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸，這與元素分析得到的結論完全一致。

特定波長的E4/E6（E465/E665）是腐殖酸的一個特征常數，其值可以反映分子中芳香環的縮合度和芳構化度。由表

2中數據可知，分子量越大的腐殖酸E4/E6值越小，說明其芳香度越高；不同種類腐殖酸中黑腐酸的芳香度最高，這與前面元素分析得到的結論完全一致。

2.3紅外分析

10種不同腐殖酸的紅外圖譜見圖3和圖4。由圖3、圖4可見，各種腐殖酸均在3 500～2 500 cm-1處出現強而寬的締合-OH吸收峰，3 000～2 800 cm-1處出現脂肪C—H伸縮振動吸收峰，1 720 cm-1附近出現羧基及羰基—CO的振動吸收峰，1 620 cm-1 附近出現芳環骨架—CC振動吸收峰，氫鍵締合CO吸收和酞胺鍵等相互疊加吸收峰；1 400 cm-1處出現羧酸或醇類的O—H彎曲振動及酚類的C—O伸縮振動峰，1 250 cm-1處出現羧基的C—O伸縮振動和O—H的變形振動，1 040 cm-1處有C—O—C的含氧結構特征吸收峰，表明不同種類和不同分子量腐殖酸中都有類似的結構[19-20]。但分子量大于10 000的腐殖酸和黑腐酸在700～900 cm-1處有苯環吸收峰；分子量小于4 000和4 000～10 000的腐殖酸以及黃腐酸在970 cm-1附近出現1個強峰，可認為是與烯烴相連的C—H面外變形振動峰，另外在500 cm-1處出現1個

強的吸收峰，可能是鹵族元素C—X伸縮振動峰，與其他腐殖酸的結構存在差異性。

2.4熒光分析

10種不同種類腐殖酸的熒光光譜圖見圖5、圖6。不同分子量的熒光強度與腐殖酸的分子量組成和芳香度等密切相關，是描述腐殖酸結構的特征參數，由圖5可見，在相同波長下，不同分子量腐殖酸均在350～550 nm有強烈吸收峰，表明其結構組成具有相似性，由于腐殖酸是含有許多熒光基團的復雜混合物，所以得到寬而無特征的熒光峰。3種不同腐殖酸中，棕腐酸吸收強度最大，黑腐酸次之，黃腐酸最弱（圖6）。Sierra等認為腐殖酸中，在低激發波長小于250 nm處熒光峰應由芳環酚類物質所貢獻[21]。不同分子量腐殖酸熒光吸收強度隨分子量的增加而逐漸減小，且最大峰值逐漸右移，Miano等研究表明，分子量小、芳香度低的有機質組分熒光強度高于分子量大、芳香度高的有機質組分[22-23]，本試驗結果與之完全一致，元素分析和紫外分析得到的結果也與之相對應。

3結論

包頭尾礦庫區提取得到的腐殖酸中黑腐酸占4213%，棕腐酸占12.46%，黃腐酸占45.41%；不同分子量的腐殖酸中，分子量<4 000的占4%，4 000～10 000的占4.7%，>10 000～30 000的占1.3%， >30 000～50 000的占9%，>50 000～70 000的占20%， >70 000的占61%， 說明該地區腐殖酸主要以黑腐酸和黃腐酸為主，而從分子量分布來看，主要是分子量大于50 000的腐殖酸。元素分析發現黑腐酸的含C、H量最大，黃腐酸的含C、H量最小；不同分子量腐殖酸中小于4 000的含C量最小，含C和H量基本隨分子量的增加而增大，說明不同種類和不同分子量腐殖酸的組成和結構有差異性。

對得到的各種腐殖酸表征發現不同種類腐殖酸的芳香度為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸，不同分子量的腐殖酸的芳香度隨分子量的增大而增加；而不同種類腐殖酸中黃腐酸的腐殖化程度最高，不同分子量腐殖酸中分子量小于4 000的腐殖化度最高。

對各種腐殖酸表征發現具有相似的結構特征，所有的腐殖酸均含有羧基，除黃腐酸和分子量小于10 000的腐殖酸外，其余的均含有芳環或酚類結構官能團；各種腐殖酸的紫外和熒光吸收均是一個混合吸收峰，隨分子量的增加而逐漸變小并右移，說明它們的結構具有一定的差異性。而結構的差異性對于其在環境中吸附絡合重金屬等污染物的行為有著巨大的影響，有待于進一步研究腐殖酸結構和吸附絡合重金屬的相關性。

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