云南泥炭中黃腐酸的提取與分析

李永紅 李 燕 唐 潔 李 莉 師會(huì)敏 呂永華

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 成都 610065)

云南泥炭中黃腐酸的提取與分析

李永紅 李 燕 唐 潔 李 莉 師會(huì)敏 呂永華

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 成都 610065)

采用硫酸-丙酮法從泥炭中提取黃腐酸，結(jié)果表明，該方法操作簡單、條件溫和、易于控制。云南泥炭中水分、灰分、腐植酸和黃腐酸的含量分別為18.96%、32.47%、9.3%和5.73%。提取后再用容量法滴定泥炭中黃腐酸的含量，結(jié)果為6.60%。并采用紅外光譜法分析了提取物的組成，驗(yàn)證所提取物為黃腐酸。

泥炭 黃腐酸 硫酸-丙酮法

腐植酸是泥炭中有機(jī)質(zhì)的重要組分，我國泥炭中腐植酸含量一般為20%～40%。泥炭中腐植酸含量的高低，對研究泥炭的性質(zhì)，評價(jià)泥炭的質(zhì)量及利用有重要意義[1]。在泥炭形成過程中，植物殘骸易水解的組分如脂類、半纖維素和木質(zhì)素等發(fā)生了深度的化學(xué)分解。同時(shí)，產(chǎn)物還會(huì)相互作用，合成植物組成中原來沒有的腐植酸。腐植酸是天然形成的、結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜的高分子混合物，其結(jié)構(gòu)、成分及性質(zhì)與原木炭的巖相組成、礦物含量、地下水的有機(jī)-無機(jī)成分、空氣氧化程度、地質(zhì)地理?xiàng)l件、形成過程及碳化階段等有關(guān)[2]。因此，不同的試樣，其測定結(jié)果也不盡相同。

黃腐酸是腐植酸中的一個(gè)組分，黃腐酸既具有腐植酸的一般特征和性質(zhì)，又有著一般腐植酸所不具備的特點(diǎn)。一是其分子量較小，因而容易被生物吸收利用；二是其官能團(tuán)含量較高，比一般腐植酸的生理活性大；三是其可直接溶于水，水溶液呈酸性，而腐植酸不溶于水，需要轉(zhuǎn)變?yōu)殁洝⑩c等一價(jià)金屬鹽或銨鹽才能溶于水，這些鹽的水溶液都呈堿性[3]。從泥炭、煤中提取制備黃腐酸的主要工藝過程包括提取、除雜、沉淀和分離，可根據(jù)需要對其進(jìn)行不同程度的純化，生產(chǎn)出不同“級別”的產(chǎn)品[4～6]。近幾十年來，我國從自然資源中提取黃腐酸方法多樣，工藝成熟。

泥炭作為提取黃腐酸的原料很有價(jià)值。而硫酸-丙酮法提取簡便，工藝條件易控制，產(chǎn)品無需后處理[4]。盡管泥炭提取率低，但因其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等方面應(yīng)用廣泛，仍具有較高開發(fā)價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料

泥炭產(chǎn)自云南宣威。丙酮、濃硫酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、鄰二氮菲等試劑均為分析純，購自成都科龍化工試劑廠。腐植酸購自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所(灰分含量10%，水分8%，含鐵量0.3%)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 硫酸-丙酮法提取黃腐酸[4]

為便于干燥，將所采泥炭樣品進(jìn)行初步粉碎，初碎后的泥炭樣品置于干燥箱內(nèi)，恒溫75 ℃干燥1.5 h。將烘干的樣品進(jìn)一步粉碎過100目篩，制得細(xì)樣品。將以上細(xì)樣品分3次各稱10 g分別置于250 mL燒杯中，分別加入混合溶劑(蒸餾水15 mL、丙酮50 mL、濃硫酸0.5 mL)，在室溫條件下溶解樣，同時(shí)不斷攪拌。為使黃腐酸充分溶解并有利于分離，將溶解液靜置5 h，過濾，并于75～85 ℃下加熱蒸發(fā)濾液，將濃縮后的殘余物在干燥箱內(nèi)于45 ℃干燥，即得黃腐酸。

1.2.2 黃腐酸含量滴定[6]

(1) 各試劑的配制。

配置1%的硫酸溶液，0.8 mol/L的重鉻酸鉀溶液，以及硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液和鄰菲羅啉-硫酸亞鐵銨混合指示劑。

硫酸亞鐵銨的標(biāo)定方法：稱取在105 ℃干燥至恒重的基準(zhǔn)物重鉻酸鉀0.1 g(精確至0.001 g)，加水50 mL使其溶解，再加1%的硫酸10 mL，加鄰二氮菲指示液3～4滴，用待測液滴定至溶液變?yōu)樽丶t色為終點(diǎn)。每1 mL硫酸亞鐵銨滴定液相當(dāng)于4.093 mg重鉻酸鉀。做3次平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值為最終結(jié)果。滴定原理如下。

(2) 測定步驟。

稱取泥炭樣品約1 g(精確至0.001 g)于250 mL錐形瓶中，加入1%硫酸溶液70 mL，于瓶口插上小玻璃漏斗，置于100 ℃沸水浴中加熱溶解30 min，并經(jīng)常搖動(dòng)，取出錐形瓶，冷卻后將溶液及殘?jiān)哭D(zhuǎn)入250 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，用干燥的中速濾紙過濾，棄去最初10 mL濾液。準(zhǔn)確移取濾液5.0 mL于250 mL錐形瓶中，加入50 mL重鉻酸鉀溶液，緩慢加入15 mL硫酸，于沸水浴中加熱氧化30 min。然后冷卻至室溫，加入約70 mL水、3滴鄰菲羅啉-硫酸亞鐵銨混合指示劑，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液c[(NH4)2Fe(SO4)2]=0.1 mol/L滴定，溶液由橙色經(jīng)綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榇u紅色為終點(diǎn)。同時(shí)做空白試驗(yàn)。

(3) 結(jié)果計(jì)算。

黃腐酸含量X1以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，按式(1)計(jì)算：

式中：V0——空白試驗(yàn)時(shí)，消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；

V1——測定試樣時(shí)，溶液所消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；

c——硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，mol/L；

K——不同礦源的黃腐酸碳系數(shù)，泥炭的碳系數(shù)為0.51[7]；

m——試樣的質(zhì)量，g；

0.003 ——與1.00 mL濃度為1.000 mol/L的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液相當(dāng)?shù)奶假|(zhì)量，g。

1.2.3 泥炭含水量分析

泥炭含水量是指自然狀態(tài)下，泥炭所含水分的重量百分比(%)。泥炭的含水量與灰分含量有關(guān)，一般高灰分泥炭區(qū)含水量較低[8]。

取試驗(yàn)所需泥炭過100目土壤篩備用。另取3個(gè)潔凈干燥的培養(yǎng)皿，編號。用電子天平分別稱取過篩后的泥炭2.000 g，置于編號為已編號的3個(gè)培養(yǎng)皿中。小心鋪平后，置于真空干燥箱中，于60 ℃下干燥至恒重。稱量干燥后的泥炭，記錄數(shù)據(jù)。

1.2.4 泥炭和黃腐酸中灰分測定分析

泥炭是植物經(jīng)過幾千年所形成的天然沼澤地產(chǎn)物，是煤化程度最低的煤。黃腐酸是一些有機(jī)體，如：死去的植物、微生物以及動(dòng)物，通過化學(xué)與生物過程降解而產(chǎn)生[9]。將所測樣品進(jìn)行灼燒，有機(jī)物被氧化，而不能氧化的無機(jī)物最終以灰色固體形式殘留，即為灰分。

取6個(gè)干燥坩堝，編號。分別各稱取3份干燥后的泥炭和黃腐酸，每份1.000 g于坩堝中。將待測樣品置于馬弗爐中，600 ℃下灼燒6 h。取出坩堝，未燃燒盡的灰白色粉末即為灰分，將坩堝中的灰分進(jìn)行稱量。

1.2.5 泥炭中腐植酸分析

腐植酸是動(dòng)植物遺骸經(jīng)過微生物分解轉(zhuǎn)化及地球化學(xué)作用積累起來的有機(jī)物質(zhì)[10]。目前腐植酸的提取方法主要有堿溶法、酸溶法和微生物溶解法[11]。本試驗(yàn)采用堿溶酸析法進(jìn)行測定[12]，選擇氫氧化鈉溶解泥炭，使腐植酸和黃腐酸游離出來，硝酸調(diào)pH后，腐植酸不溶于酸，故以沉淀的形式析出。

取3個(gè)干燥的100 mL燒杯，每個(gè)燒杯中放入稱取的泥炭2.000 g，對3個(gè)燒杯進(jìn)行編號：1、2、3。于每個(gè)燒杯中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液50 mL，室溫下攪拌后靜置3 h。將靜置后的混懸液真空抽濾，收集濾液于對應(yīng)編號的燒杯中，每個(gè)燒杯中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的硝酸20 mL，室溫下靜置，直至析出沉淀。將析出沉淀的混懸液真空抽濾，收集濾渣，并于50 ℃真空干燥箱中干燥至恒重，稱量。

1.2.6 黃腐酸紅外光譜分析

黃腐酸樣品用KBr壓片法進(jìn)行紅外光譜分析，用腐植酸提取獲得的黃腐酸作為參照樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃腐酸的提取

采用硫酸-丙酮法從泥炭中提取黃腐酸，結(jié)果見表1。由3次試驗(yàn)結(jié)果，取平均值，得到泥炭中黃腐酸的含量為5.73%。該結(jié)果與松嫩平原的泥炭區(qū)黃腐酸含量相當(dāng)(平均值5.66%)[13]。

2.2 黃腐酸的滴定

硫酸亞鐵銨標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2。

基準(zhǔn)物質(zhì)重鉻酸鉀的3次稱量值均為0.100 g，0.34×10-3mol，由滴定化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算出硫酸亞鐵銨的平均濃度c=0.13 mol/L。

黃腐酸滴定數(shù)據(jù)見表3。

表1 泥炭中黃腐酸的提取Tab.1 The extraction of fulvic acid from peat g

表2 硫酸亞鐵銨標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.2 The calibration data of ammoniumferrous sulfate mL

表3 黃腐酸滴定數(shù)據(jù)Tab.3 The titration data of fulvic acid mL

由表3可得，V1=13.55 mL，V0=28.65 mL。已知，m=10 g；由公式(1)計(jì)算得黃腐酸含量X1為5.31%，與前面檢測結(jié)果5.73%相當(dāng)，說明硫酸-丙酮法工藝條件溫和易于控制，提取率高。

2.3 泥炭中水分、灰分和腐植酸含量結(jié)果分析

泥炭中的水分、灰分和腐植酸含量結(jié)果分析見表4。泥炭中采用堿溶酸析法提取腐植酸，含量為9.30%，灰分含量較高。硫酸-丙酮法提取的黃腐酸，由于引入了較多的硫酸鹽，灰分含量為18.9%。若除去灰分的影響，黃腐酸含量為6.88%，與滴定法結(jié)果相近，表明提取得較徹底。

2.4 黃腐酸對紅外光的吸收

泥炭中提取的黃腐酸與黃腐酸參照樣品的紅外光譜二者波形相似(圖1)。如3400 cm-1左右有較強(qiáng)的吸收峰，屬于締合的脂肪和芳香族羥基的價(jià)鍵振動(dòng)吸收。后者的光譜圖同前者相比，2920 cm-1和2850 cm-1兩個(gè)吸收帶明顯弱化，說明提取物中甲基和亞甲基含量減少；600～1700 cm-1吸收峰來源于芳香結(jié)構(gòu)的共軛雙鍵C=C雙鍵、羧基中的C=O和COO-伸縮振動(dòng)，可能掩蓋著一定數(shù)量的芳環(huán)C=C雙鍵；在1200～1000 cm-1附近的吸收峰可能為酚、醚或醇C-O伸縮和C-OH振動(dòng)引起，可能也有脂肪醇。各吸收峰分布明顯，詮釋了黃腐酸中多種活性官能團(tuán)的存在。表明本試驗(yàn)結(jié)果與陳紅等研究結(jié)果基本一致[14]。

表4 泥炭中水分和腐植酸含量及泥炭、黃腐酸中灰分含量Tab.4 The content of water and humic acid in peat and theash content in peat and fulvic acid %

圖1 提取的黃腐酸與黃腐酸參照樣品紅外光譜對比Fig.1 The infrared spectrogram contrast of the extracted fulvic acid and reference sample of fulvic acid

3 結(jié)論

(1) 采用硫酸-丙酮法從泥炭中提取黃腐酸方法是可行的，其提取方法簡單，條件溫和可控。

(2) 紅外光譜顯示提取得到的黃腐酸和黃腐酸參照樣品波形相似，且在相應(yīng)波段有吸收峰，表明黃腐酸分子主要由苯環(huán)構(gòu)成，此外還含有稠苯環(huán)以及多種雜環(huán)，各苯環(huán)之間通過各種橋鍵相連；黃腐酸分子中含有羧基、羰基和羥基等活性基團(tuán)，具有較強(qiáng)的生物化學(xué)活性，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)滿足條件。由此說明，硫酸-丙酮法是一種簡潔實(shí)用的工藝。

(3) 云南泥炭中腐植酸和黃腐酸含量偏低，需要通過其他方法提高其含量，這一研究有待深入。

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Extraction and Analysis of Fulvic Acid from Yunnan Peat

Li Yonghong, Li Yan, Tang Jie, Li Li, Shi Huimin, Lv Yonghua
(School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610065)

Fulvic acid was separated from peat by using sulfuric acid-acetone method. The result showed that the advantages of the separation method were simple, mild conditions, and easy to control. In Yunnan peat, the content of moisture, ash, humic acid, fulvic acid was 18.96%, 32.47%, 9.3%, 5.73%, respectively. The cantent of fulvic acid increased to 6.60% with titration after extraction by volumetric method. Then components of the extracts were analyzed by infrared spectroscopy, verified that the extract was fulvic acid.

peat; fulvic acid; sulfuric acid-acetone method

TQ314.1

1671-9212(2017)05-0010-04

A

10.19451/j.cnki.issn1671-9212.2017.05.003

四川大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”(項(xiàng)目編號201510610932)。

2016-10-10

李永紅，女，1976年生，博士/講師，主要從事生物化學(xué)和微生物篩選鑒定工作，E-mail：lyhhxd@163.com。