DAX-8 與001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸的效果研究

王彩虹 張文博 王岳俊 周可杰 任天賜

1 河套學(xué)院生態(tài)與資源工程系 巴彥淖爾 015000

2 新沂市蘇蒙肥業(yè)有限公司 新沂 221400

黃腐酸是指腐植酸中可溶于酸性、堿性、中性溶液及丙酮、乙醇中的那部分組分[1]。它是腐植酸中溶解度較好、分子量較小、化學(xué)及生物活性較高的組分［1，2］。黃腐酸的使用范圍較廣，在保健美容方面可以促進(jìn)細(xì)胞新生、修復(fù)和消炎、提高自身免疫力[3]；在醫(yī)藥衛(wèi)生方面可以止血活血、消炎、增加免疫功能等[4～6]；在農(nóng)業(yè)方面可以保水保肥、提高農(nóng)藥的藥效、促進(jìn)根系發(fā)育等[7]。

目前提純黃腐酸的方法有硫酸酸析法和堿溶酸析法、發(fā)酵法、離子交換法、硫酸丙酮法和電滲析法等[8]。有文獻(xiàn)報(bào)道，精制黃腐酸純度一般在95%左右，且重金屬含量未知，難以滿(mǎn)足藥用和食用的要求，或者所用精制純化方法十分復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)成本較高[9～12]，同時(shí)提取的黃腐酸和一些金屬陽(yáng)離子結(jié)合如Fe3+、Cu2+、Hg2+、Zn2+、Mg2+，尤其是重金屬（Pb2+、Hg2+、Cd2+），雖然含量很少，但若作為藥用黃腐酸必須去除這些重金屬。因此，本研究利用大孔型吸附樹(shù)脂與離子交換樹(shù)脂結(jié)合建立一套新的提純工藝，用DAX-8 型樹(shù)脂吸附黃腐酸，用001×7 H+型樹(shù)脂通過(guò)離子交換去除黃腐酸中吸附的金屬陽(yáng)離子，以尋找一種材料價(jià)廉、方法簡(jiǎn)便且高效的提純工藝，以期得到高純度的黃腐酸，同時(shí)可以為未來(lái)黃腐酸的提純研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用主要試劑為分析純級(jí)的鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉、無(wú)水乙醇及去離子水，2 種樹(shù)脂分別為001×7 型樹(shù)脂（購(gòu)自廊坊淼陽(yáng)化工有限公司）和DAX-8 型樹(shù)脂（購(gòu)自天津雙聯(lián)科技有限公司），性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樹(shù)脂的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of resin

DAX-8 型樹(shù)脂是由甲基丙烯酸類(lèi)物質(zhì)聚合而成的，具有中等極性、聚合的大孔吸附樹(shù)脂，不溶于常見(jiàn)的酸堿和有機(jī)溶劑。它具有大的表面積和連續(xù)的孔徑，具有優(yōu)良的理化穩(wěn)定性，可再生重復(fù)使用。

001×7 型樹(shù)脂為強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，是苯乙烯-二乙烯苯共聚交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子基體上帶有磺酸基的離子交換樹(shù)脂，它在堿性、酸性、中性介質(zhì)中都有離子交換功能[13]。根據(jù)樹(shù)脂性能及參考文獻(xiàn)[14]，本實(shí)驗(yàn)選擇001×7 H+型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)所用樣品為新沂市蘇蒙肥業(yè)有限公司提供的純度為40%的礦物源黃腐酸。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)主要用實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器Tab.2 Experimental instrument

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 DAX-8 型樹(shù)脂的制備

（1）DAX-8 型樹(shù)脂的裝柱。

使用型號(hào)為15×300 mm 玻璃樹(shù)脂柱填裝。在樹(shù)脂裝玻璃柱之前應(yīng)先在柱中加入適量的去離子水（約1/2 樹(shù)脂柱），然后按以下步驟操作。

a. 將DAX-8 型樹(shù)脂加入帶有去離子水的玻璃柱中。

b. 多余的去離子水排出，保持水面高于樹(shù)脂層面5 cm 以上。吸附樹(shù)脂的床層高度根據(jù)樹(shù)脂類(lèi)型而定。樹(shù)脂一般只填充樹(shù)脂玻璃柱空間的1/2 ～1/3，以便進(jìn)行反洗。

（2）DAX-8 型樹(shù)脂的反洗。

反洗的目的是為調(diào)整樹(shù)脂在柱中的狀態(tài)，使樹(shù)脂顆粒進(jìn)行分級(jí)和去除樹(shù)脂的碎片和雜物，反洗的步驟如下：

a.去離子水從柱底加入，緩緩的向上流動(dòng)，緩慢增大去離子水的流速直到樹(shù)脂床膨脹接近50%～80%，保持反洗的去離子水流速，直到所有氣泡被去除，所有樹(shù)脂顆粒充分?jǐn)U展，小顆粒樹(shù)脂被沖出。

b.反洗終止，樹(shù)脂受重力作用自然沉降。

c.調(diào)整液面到樹(shù)脂床層面5 cm 以上。

（3）DAX-8 型樹(shù)脂的預(yù)處理。

用10%氯化鈉浸泡20 h 進(jìn)行處理，以便去除過(guò)量的防腐劑和殘留的丙烯酸單體化合物，然后用乙醇浸泡12 h 以上，用去離子水沖洗至干凈無(wú)味即可使用。

1.4.2 001×7 H+型樹(shù)脂的制備

（1）稱(chēng)取200 ～300 g 001×7 型樹(shù)脂，使用無(wú)水乙醇300 mL 浸泡樹(shù)脂24 h；然后用水沖洗至無(wú)味。

（2）將浸泡好的樹(shù)脂裝柱，樹(shù)脂一般只填充樹(shù)脂玻璃柱空間的1/2 ～1/3。

（3）使用500 mL 3 mol/L 鹽酸淋洗柱子，然后用1500 mL 去離子水淋洗柱子，重復(fù)此過(guò)程2 次，得001×7 H+型樹(shù)脂。

1.4.3 樣品的預(yù)處理

將粗級(jí)黃腐酸樣品溶于適量的去離子水中，將pH 調(diào)節(jié)至2，在4000 r/min 下離心30 min，除去不溶性成分，并在60 ℃下烘干，備用。

1.4.4 DAX-8 型樹(shù)脂提純黃腐酸的研究

DAX-8 型樹(shù)脂是非離子大孔樹(shù)脂，其主要是根據(jù)物質(zhì)的極性不同而通過(guò)范德華力和氫鍵來(lái)進(jìn)行物質(zhì)的分離[15]，黃腐酸分子極性小，DAX-8 型樹(shù)脂在酸性條件下對(duì)黃腐酸吸附力極強(qiáng)，而氨基酸、糖類(lèi)等極性大，DAX-8 型樹(shù)脂對(duì)其吸附力弱，因此可以通過(guò)吸附力的強(qiáng)弱將其分開(kāi)。

稱(chēng)取1 g 預(yù)處理的黃腐酸（干基）試樣，溶解在100 mL 的去離子水中，緩慢注入裝有DAX-8型樹(shù)脂玻璃柱進(jìn)行吸附，過(guò)程中用蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)，讓黃腐酸與樹(shù)脂充分接觸。黃腐酸被DAX-8 型樹(shù)脂吸附與其他溶于水的化合物分開(kāi)，充分吸附2 h后，棄掉吸附柱下層溶液。使用去離子水反復(fù)沖洗離子交換柱，直至柱子流出物在350 nm 處吸光值與去離子水一致（棄掉吸附柱下層洗液）。將0.1 mol/L 的氫氧化鈉通過(guò)蠕動(dòng)泵從柱子的頂端注入來(lái)脫洗黃腐酸，當(dāng)流出物與氫氧化鈉在350 nm處吸光度一致時(shí)，所有黃腐酸全部被洗脫出來(lái)。然后將濾液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在65 ℃下進(jìn)行濃縮，濃縮至大約15 mL，將其轉(zhuǎn)移至燒杯用紅外燈干燥至粘稠狀，移入干燥箱在75 ℃下干燥至恒重，用灼燒法測(cè)定黃腐酸純度。

1.4.5 001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸工藝條件的研究

為了后續(xù)將DAX-8 型樹(shù)脂與001×7 H+型樹(shù)脂結(jié)合，研究二者結(jié)合后對(duì)黃腐酸的提純效果，必須先知道001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸時(shí)的定量值（即001×7 H+型樹(shù)脂離子交換的時(shí)間、溫度、樹(shù)脂用量）。故取1 g 預(yù)處理的黃腐酸（干基）試樣，溶解在100 mL 的去離子水中，置于錐形瓶中，通過(guò)單因素控制法研究001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸時(shí)的離子交換時(shí)間、溫度、樹(shù)脂用量等工藝條件。

1.4.6 DAX-8 與001×7 H+型樹(shù)脂結(jié)合提純黃腐酸

取1 g 預(yù)處理的黃腐酸（干基）試樣，溶于100 mL 的去離子水中，通過(guò)裝有DAX-8 型樹(shù)脂玻璃柱進(jìn)行吸附，后用去離子水沖洗并棄掉下滲洗液，然后用0.1 mol/L 氫氧化鈉脫洗，將洗脫液置于錐形瓶中，在最佳工藝條件下用001×7 H+型樹(shù)脂進(jìn)行離子交換。然后將濾液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在65 ℃下進(jìn)行濃縮、濃縮至大約15 mL，將其轉(zhuǎn)移至燒杯用紅外燈干燥至粘稠狀，移入干燥箱在75 ℃下干燥至恒重，用灼燒法測(cè)定黃腐酸純度。

1.5 黃腐酸純度分析法

利用灼燒法[13，16]測(cè)定黃腐酸純度。將黃腐酸在箱式電阻爐中330 ℃條件下快速脫水1 h，在室溫下冷卻10 min，稱(chēng)重（m1）。低溫灰化后在箱式電阻爐中750 ℃條件下灼燒1 h，并在室溫下冷卻10 min，稱(chēng)重（m2）。按下式計(jì)算黃腐酸純度（FA）。

式中：FA——黃腐酸純度，%。

m1——350 ℃快速脫水后黃腐酸的質(zhì)量，g。

m2——750 ℃高溫灼燒后剩余殘?jiān)|(zhì)量，g。

1.6 提純后黃腐酸的紅外光譜表征

將采用DAX-8 與001×7 H+型2 種樹(shù)脂結(jié)合提純黃腐酸得到的產(chǎn)物在75 ℃下烘干至恒重，用傅里葉紅外光譜儀測(cè)定。波長(zhǎng)設(shè)置范圍190 ～1100 nm，波長(zhǎng)測(cè)量范圍200 ～100 nm，波長(zhǎng)精確度±0.5 nm，光度值范圍0 ～200%T 或吸光度-0.3 ～4.0 Abs。

2 結(jié)果與分析

2.1 DAX-8 型樹(shù)脂提純黃腐酸的結(jié)果與分析

通過(guò)DAX-8 型樹(shù)脂提純黃腐酸，黃腐酸純化結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 DAX-8 型樹(shù)脂提純黃腐酸的結(jié)果Tab.3 The results of purif ication of fulvic acid with DAX-8 resin

由表可知，經(jīng)DAX-8 型樹(shù)脂提純后黃腐酸的純度平均達(dá)到73.74%。說(shuō)明DAX-8 型樹(shù)脂對(duì)黃腐酸提純作用明顯，但獲得黃腐酸的純度并不是很高。原因可能是在用去離子水沖洗樹(shù)脂柱與氫氧化鈉洗脫樹(shù)脂中黃腐酸時(shí)，洗脫液無(wú)法達(dá)到與自身對(duì)照的吸光度值，故黃腐酸可能沒(méi)有全部洗脫出來(lái)。另外實(shí)驗(yàn)中使用的0.1 mol/L 氫氧化鈉洗脫液，氫氧化鈉洗脫黃腐酸時(shí)生成黃腐酸鈉，鈉離子在高溫下被氧化成氧化鈉殘留下來(lái)，或是黃腐酸溶液中殘留的氫氧化鈉，在高溫灼燒時(shí)氫氧化鈉會(huì)氧化為過(guò)氧化鈉殘留下來(lái)，都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸工藝條件的結(jié)果與分析

黃腐酸具有吸附功能，為除去黃腐酸對(duì)重金屬的吸附，本實(shí)驗(yàn)采取離子交換樹(shù)脂法以H+取代黃腐酸鹽中的金屬陽(yáng)離子釋放出黃腐酸，離子交換樹(shù)脂可經(jīng)再生處理重復(fù)使用，研究樹(shù)脂的交換效果及時(shí)間、溫度、樹(shù)脂用量對(duì)提純效果的影響。

2.2.1 離子交換時(shí)間對(duì)黃腐酸純度的影響

固定樹(shù)脂用量5 g，離子交換溫度25 ℃條件下，探究001×7 H+型樹(shù)脂離子交換時(shí)間對(duì)黃腐酸純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 001×7 H+型樹(shù)脂離子交換時(shí)間對(duì)黃腐酸純度的影響Fig.1 Effects of 001×7 H+ resin ion exchange time on fulvic acid purity

由圖可直觀看出，001×7 H+型樹(shù)脂在離子交換時(shí)間小于120 min 時(shí)隨著離子交換時(shí)間的增加黃腐酸純度上升，在120 min 時(shí)達(dá)到最大純度，在120 min 后黃腐酸純度基本不變，說(shuō)明吸附達(dá)到飽和。表明它的最佳交換時(shí)間為120 min，此時(shí)H+型樹(shù)脂最大純度FA=84.38%。

2.2.2 離子交換溫度對(duì)黃腐酸純度的影響

固定樹(shù)脂用量5 g，離子交換時(shí)間120 min 條件下，探究001×7 H+型樹(shù)脂離子交換溫度對(duì)黃腐酸純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 001×7 H+型樹(shù)脂離子交換溫度對(duì)黃腐酸純度的影響Fig.2 Effects of 001×7 H+ resin ion exchange temperatures on fulvic acid purity

由圖可直觀看出，隨著離子交換溫度的升高黃腐酸的純度上升，在25 ℃時(shí)出現(xiàn)峰值，之后隨著溫度的升高黃腐酸的純度值略有下降。表明H+型樹(shù)脂離子交換的最佳溫度為25 ℃，此時(shí)H+型樹(shù)脂最大純度FA=84.41%。

2.2.3 001×7 H+型樹(shù)脂用量對(duì)黃腐酸純度的影響

固定離子交換溫度25 ℃，交換時(shí)間120 min條件下，探究001×7 H+型樹(shù)脂用量對(duì)黃腐酸純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖可直觀看出，隨著樹(shù)脂用量的增加黃腐酸的純度呈現(xiàn)先增大再下降之后持平的趨勢(shì)。表明001×7 H+型樹(shù)脂用量在4 g 左右黃腐酸的純度最高，此時(shí)H+型樹(shù)脂最大純度FA=84.58%。

2.3 DAX-8 型樹(shù)脂與001×7 H+型樹(shù)脂結(jié)合提純黃腐酸的結(jié)果與分析

使用001×7 H+型樹(shù)脂離子交換法提純DAX-8型樹(shù)脂洗脫液，可進(jìn)一步提純黃腐酸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表可以看出，使用001×7 H+型樹(shù)脂離子交換法提純DAX-8 型樹(shù)脂洗脫液后黃腐酸的純度均值為94.49%。從結(jié)果可以看出DAX-8 型樹(shù)脂與001×7 H+型樹(shù)脂結(jié)合后提純效果比單一DAX-8 型樹(shù)脂要高很多。但是結(jié)果未達(dá)到99%以上，分析原因可能是001×7 H+型樹(shù)脂以H+未完全取代黃腐酸鹽中的金屬陽(yáng)離子，在高溫灼燒時(shí)金屬陽(yáng)離子被氧化，影響黃腐酸的純度。

圖3 001×7 H+型樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂用量對(duì)黃腐酸純度的影響Fig.3 Effects of 001×7 H+ resin ion exchange dosage on fulvic acid purity

表4 DAX-8 型樹(shù)脂和001×7 H+型樹(shù)脂結(jié)合提純黃腐酸結(jié)果Tab.4 The results of purif ication of fulvic acid with 001×7 H+ and DAX-8 resin

2.4 提純后黃腐酸的紅外光譜表征

對(duì)提純后的黃腐酸進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

黃腐酸含有羥基、氨基、羰基、羧基和脂肪族的基團(tuán)和鏈，以及酮、醛、醌和酯，軛合有羰基的芳香結(jié)構(gòu)、烯鍵、酰胺等。由圖4 可見(jiàn)，位于3436.53 cm-1處的吸收峰為醇、酚和羧酸基團(tuán)的O-H的伸縮振動(dòng)峰。位于2024.89 cm-1的吸收峰為叁鍵和累積雙鍵中-C=C=O 伸縮振動(dòng)峰，這個(gè)譜帶相對(duì)較狹。羧酸、酯、酮和醛中C=O 的伸縮振動(dòng)峰出現(xiàn)在1596.77 cm-1處。小于1400 cm-1的吸收，主要為羧酸和丙烯醚的C-O 伸縮振動(dòng)和O-H 變形振動(dòng)。1199.51 cm-1波數(shù)處的吸收峰歸屬于醇、醚的C-O伸縮振動(dòng)。1039.44 cm-1波數(shù)處的吸收峰歸屬于醚、酯、酚羥基C-O 伸縮振動(dòng)。600 ～800 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的吸收峰為苯環(huán)上的C-H 彎曲振動(dòng)所致。

圖4 提純后黃腐酸的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrogram of purif ied fulvic acid

3 結(jié)論

使用純度為40%的礦物源黃腐酸進(jìn)行提純研究，得出以下結(jié)論：

（1）不同樹(shù)脂提純黃腐酸效果對(duì)比。使用DAX-8 型樹(shù)脂吸附提純黃腐酸純度為73.74%，使用001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸的純度為84.58%，DAX-8 型樹(shù)脂與001×7 H+型樹(shù)脂結(jié)合提純黃腐酸純度為94.49%。DAX-8 型樹(shù)脂與001×7 H+型樹(shù)脂結(jié)合后提純效果比單一使用DAX-8 型樹(shù)脂或是單一使用001×7 H+型樹(shù)脂提純效果好。

（2）001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸工藝條件的研究。001×7 H+型樹(shù)脂提純黃腐酸的最佳條件為：離子交換時(shí)間120 min，離子交換溫度25 ℃，樹(shù)脂用量4 g。