养猪场沼渣提取高附加值产品——腐植酸的工艺研究

沈红池， 吴旭鹏， 蔡庆庆， 张文艺

(常州大学 环境与安全工程学院， 江苏 常州 213164)

养猪场沼渣提取高附加值产品
——腐植酸的工艺研究

沈红池， 吴旭鹏， 蔡庆庆， 张文艺

(常州大学 环境与安全工程学院， 江苏 常州 213164)

针对养猪场沼渣产生量大,直接作为肥料，污染严重这一难题，文章以养猪场湿沼渣为原料，以盐酸、氢氧化钠、硫酸为助剂从中提取高附加值产品——腐植酸，优化了盐酸用量、活化温度、活化时间及氢氧化钠用量等影响沼渣提取腐植酸的因子。对于含水率94.19%，质量50 g的沼渣，当盐酸用量为50 mL，盐酸活化时间为45 min，活化温度为80℃、氢氧化钠用量为22 mmol时，可得纯腐植酸产品290 mg。红外光谱、核磁氢谱显示提取的腐植酸存在羟基、芳香烯烃等基团，扫描电镜(SEM)显示其形貌、结构未见明显差异，有利于该工艺工业化应用。从养猪场沼渣中提取腐植酸不仅原料易得、工艺操作比较简单，而且提取的腐植酸能够进一步提纯作为医用，产品附加值高，对于养猪场沼渣资源化利用意义重大。

沼渣； 腐植酸； 提取； 表征

腐植酸主要是动植物的遗骸经过微生物作用所形成的一类天然有机高分子聚合物，广泛存在于河泥、水体沉积物、土壤、煤炭中[1-3]。不同来源的腐植酸在结构和分子量上差异很大。腐植酸表面形态有孔片状、棒状、球状、伸长的卵形等[4]，具有生理活性、亲水性、吸附性、络合性以及胶体特性[5-8]，广泛应用于农业、工业以及医用方面[9-15]。制备腐植酸的方法通常有酸抽提剂法[16]、微生物溶解法[17]、碱溶酸析法[10]等。沼渣是生物发酵所形成的半固态物质，直接堆放会产生恶臭，污染环境[18-19]。沼渣中含有机质30%～50%，腐植酸10%～20%[20]，其中只有部分腐植酸以游离形式存在，主要是以难溶性的腐植酸盐形式存在。因此从沼渣中提取腐植酸在理论上可行，且可实现其资源化、无害化。

笔者研究以养猪场沼渣为原料，以盐酸、氢氧化钠、硫酸为助剂提取腐植酸(Humic acid)，利用红外(IR)、核磁(1HNMR)显示其结构中存在羟基、芳香烯烃等基团，利用扫描电镜(SEM)显示其形貌为棒状、球状结构。考察盐酸投加量、反应温度和时间、氢氧化钠浓度对提取率的影响。该研究对于沼渣资源化利用有一定参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 原料

研究所用沼渣取自江苏省常州市武进区农业废弃物综合治理中心，发酵原料为猪粪，pH值为7.2，含水率为94.19%。

1.1.2 试剂

盐酸(HCl)、氢氧化钠(NaOH)、硫酸(H2SO4)均为分析纯。

1.1.3 试验设备与分析仪器

实验设备：SHZ-III循环水式真空泵(南京科尔仪器设备有限公司)，FA2104电子分析天平(上海良平仪器仪表有限公司)，水浴锅，烘箱等。

分析仪器：Thermo Nicolet IR200红外光谱仪(上海峪丽电子科技有限公司)，Bruker核磁共振波谱仪(Bruker公司)，JSM-6360LA扫描电子显微镜(日本电子株式会社)。

1.2 提取方法与原理

称取含水率94.19%左右的沼渣50 g，加入适量0.5 mol·L-1的盐酸在水浴下加热一段时间，期间震荡数次。反应结束后取出，过滤，并用蒸馏水多次清洗沉淀至中性，得到的沉淀为腐植酸固体和不溶于水的杂质。随后取一定量的氢氧化钠溶液将沉淀溶解于锥形瓶内，在60℃恒温水浴下反应30 min，使得腐植酸完全溶解于氢氧化钠溶液得到腐植酸钠溶液。过滤去除不溶的杂质，向得到的腐植酸钠溶液中加入体积浓度为10%的硫酸至溶液pH值为1～2，反应一段时间后产生絮状沉淀。通过抽滤得到滤饼，将其烘干碾碎得到的棕色粉末即为目标产物腐植酸(见图1)。提取过程涉及的主要反应方程式如下：

R(COO)4Ca2+4HCl→R(COOH)4↓+2CaCl2

R(COO)4Mg2+4HCl→R(COOH)4↓+2MgCl2

(R(COO)4)3Fe4+12HCl→R(COOH)4↓+4FeCl3

R(COOH)4+4NaOH→R(COONa)4+4H2O

R(COONa)4+2H2SO4→R(COOH)4↓+2Na2SO4

1.3 目标产物的分析及检测

1.3.1 红外光谱分析

采用Thermo Nicolet IR200红外光谱仪，研磨KBr至粉末细腻后加入微量提取的腐植酸样品混匀，压片，对提取的腐植酸进行IR分析。

1.3.2 核磁共振光谱分

图1 提取的腐植酸样品

以D2O和NaOH为溶剂，采用Bruker核磁共振波谱仪对提取的腐植酸进行1HNMR检测分析。

1.3.3 扫描电镜

采用JSM-6360LA扫描电子显微镜对产物腐植酸进行形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 腐植酸的结构表征

2.1.1 红外光谱分析

对提取的腐植酸产物进行红外表征，图2为样品的IR谱。由该图可看出，在3420 cm-1处出现了—OH和N—H的伸缩振动峰，2930 cm-1处出现的是—C—H的伸缩振动峰，1640 cm-1有一个N—H的弯曲振动峰，1540 cm-1处为芳香烃C=C骨架振动，1200 cm-1处为C—OH，C—O伸缩振动峰，在1000 cm-1处有—C—C—的骨架振动和伸缩振动，870 cm-1处为苯环上孤立的氢产生的伸缩振动峰，这与李丽[21]等从泥炭土中提取的腐植酸红外特征峰一致。

图2 提取的腐植酸的红外光谱

2.1.21HNMR图谱分析

图3为腐植酸的1HNMR谱。由图3可看出，δ 0.75～0.77是腐植酸上甲基中氢的化学位移，δ 1.0～1.5为脂肪长链上亚甲基、与芳香环相隔两个碳以上亚甲基上氢的化学位移，δ 1.5～2.0是与烯烃相邻碳上氢的化学位移，δ 2.4～2.5是与苯环相连的亚甲基中氢的化学位移，δ 3.0～3.5是与氧相连的亚甲基上氢的化学位移，δ 6.4～7.0出现芳香族上的氢的位移，δ 7.0～7.5是羟基上与氧相连接的氢的化学位移[22-23]。

图3 产物腐植酸的1HNMR谱

2.1.3 扫描电镜分析

图4为在60℃烘箱中烘干的腐植酸样品的扫描电镜形貌。由该图可见，提取出来的腐植酸为棒状、球状结构[24]。

图4 烘箱烘干的腐植酸电镜

图5 冷冻干燥的腐植酸电镜

图5为冷冻干燥的腐植酸样品的扫描电镜，由该图可见，提取出来的腐植酸为棒状、球状结构[24]，这与图4中结构基本相同。由此可见冷冻干燥与烘箱烘干对腐植酸的形貌影响不大。

2.2 腐植酸提取影响因素分析

2.2.1 盐酸用量对腐植酸产量影响

投加0.5 mol·L-1盐酸30，40，50，60，70 mL，控制反应温度为100℃，反应时间为30 min。反应结束向离心后的固体加入11 mmol氢氧化钠在恒温60℃下反应30 min。所得产率与盐酸用量的关系如图6所示。

图6 盐酸用量对腐植酸产率影响

由图6可知，当盐酸用量从30 mL增加至40 mL，盐酸活化程度随H+浓度的增加而提高，Ca2+，Mg2+，Fe3+逐渐被H+置换出来生成腐植酸，当盐酸量为50 mL时，腐植酸产率最高为0.12 g·g-1。继续增加盐酸用量，腐植酸产率基本不变，反应完全。盐酸量为50 mL时，反应基本趋于平衡，所以盐酸的最佳投加量是50 mL。

图7 盐酸活化时间对腐植酸产率影响

2.2.2 盐酸活化时间对腐植酸产量影响

加入50 mL 的0.5 mol·L-1的盐酸在100℃下反应，控制盐酸活化时间为15，30，45，60，75 min。离心后加11 mmol氢氧化钠在恒温60℃下反应30 min。所得产率与盐酸活化时间的关系如图7所示。

由图7可以看出，随着盐酸活化时间的增加，腐植酸产率逐渐增加。当反应时间为15～30 min时，由于反应时间较短，反应不完全，以腐植酸盐形式存在的腐植酸未能完全游离出来，影响了最终产率；当时间达到45 min时，腐植酸活化基本完全，腐植酸产率增加；45 min时反应达到完全，产率基本保持不变，所以盐酸活化的最佳时间为45 min。

2.2.3 盐酸活化温度对腐植酸产量影响

加入50 mL的0.5 mol·L-1的盐酸，控制盐酸活化温度为40℃，60℃，80℃，100℃，反应45 min。离心过后加入11 mmol氢氧化钠恒温水浴60℃下反应30 min。所得产率与盐酸活化温度的关系如图8所示。

图8 盐酸活化温度对腐植酸产率的影响

由图8可知，在40℃时产率比较低，当温度从40℃升高到60℃时，随着温度的升高，产率逐渐增加。当温度到达60℃并持续升温时，温度升高使得物质分子间运动加剧，反应更加剧烈，沼渣中的腐植酸钙、腐植酸镁等物质快速转化为游离腐植酸，腐植酸的产率增加。继续升温，80℃以后腐植酸最终产量变化不大，所以最佳盐酸活化温度为80℃。

2.2.4 氢氧化钠浓度对腐植酸产量影响

投加50 mL的0.5mol·L-1的盐酸在恒温80℃下反应45 min。离心后加入氢氧化钠5.5 mmol，11 mmol，22 mmol，44 mmol，66 mmol，并保持其反应时间为30 min，反应温度为60℃不变。所得产率与氢氧化钠浓度的关系如图9所示。

由图9可见，随着氢氧化钠量的增加，腐植酸的产率也随之提高。当氢氧化钠为5.5 mmol时，氢氧化钠含量较少，OH-无法与腐植酸完全反应；腐植酸浓度由11 mmol提高到22 mmol时，腐植酸产率上升趋势明显，此过程中腐植酸与Na+离子结合生成腐植酸钠。当氢氧化钠浓度过低时，反应无法完全导致腐植酸产率低；当氢氧化钠浓度过高时，会浪费氢氧化钠，所以氢氧化钠最佳浓度为22 mmol。

图9 氢氧化钠浓度对腐植酸产率的影响

3 结论

(1)以盐酸、氢氧化钠、硫酸为助剂从养猪场沼渣中成功提取出了高附加值产品—腐植酸。对于50 g含水率94.19%的湿沼渣，当盐酸的投加量为50 mL，盐酸活化温度80℃，活化时间45 min，氢氧化钠量为22 mmol时，可得纯腐植酸290 mg。

(2)红外(IR)、核磁(1HNMR)图谱分析表明其结构与土壤中提取的腐植酸结构相似；扫描电镜(SEM)图谱显示其形貌为棒状、球状结构，并且60℃下烘干与冷冻干燥对其形貌、结构未见明显差异，这有利于本工艺工业化应用。

(3)从养猪场沼渣中提取腐植酸，原料易得、工艺操作比较简单，提取的腐植酸能够进一步提纯作为医用，附加值高，对于养猪场沼渣资源化利用意义重大。

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The Technique of Extracting Humic Acid from Pig Manure Biogas Fermentation Residue /

SHEN Hong-chi， WU Xu-peng， CAI Qing-qing， ZHANG Wen-yi /

(School of Environmental & Safety Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

The amount of biogas residue in the pig farm is large, and direct using as fertilizer will cause pollution problems. In this paper, the humic acid, a high valued product, was extracted from the pig farm biogas fermentation residue adopting hydrochloric acid, sodium hydroxide and sulfuric acid as accessory ingredient. The influence factors as dosage of hydrochloric acid, activation temperature and time, and concentration of sodium hydroxide, were optimized. Under dosage of hydrochloric acid 50 mL, activation time of 45 min, activation temperature of 80℃, and the sodium hydroxide concentration of 22 mmol, 290 mg of pure humic acid product were obtained from 50 g of biogas residue with 94.19% of moisture content. The spectra of IR and HNMR showed the presence of hydroxyl, aromatic olefin in the extracted humic acid. Scanning of electron microscopy (SEM) showed that its morphology and structures did not have obvious difference.

biogas residue; humic acid; extract; characterization

2016-01-04

2016-02-14

项目来源： 江苏省科技支撑计划项目(BY2015027-03); 常州市科技计划项目(CE20155061)

沈红池(1992- )，女，汉族，在读硕士，研究方向为水处理，E-mail:1543598063@qq.com 通信作者： 张文艺，E-mail:zhangwenyi@sina.com

S216.4

A

1000-1166(2017)01-0067-05