褐煤粒度对碱法制备胡敏酸和富里酸的影响*

刘云颖 赵文渊 成建国 马力通,2

(1.内蒙古科技大学化学与化工学院，014010 内蒙古包头；2.生物煤化工综合利用内蒙古自治区工程研究中心，014010 内蒙古包头)

0 引 言

褐煤有机质的主要组成部分是腐植酸，占褐煤有机质总量的10%～80%(质量分数，下同)[1]。腐植酸不是单一的有机化合物，而是一系列组成、结构及性质上存在差异的混合物，以胡敏酸(humic acid)和富里酸(fulvic acid)为主[2-3]。胡敏酸和富里酸在工业、农林牧和医药中均有广泛的用途，但因富里酸具有独特的药理作用，在生态农业和膳食补充等方面更有利用价值。胡敏酸(记为HA)是一种只溶于碱而不溶于水和酸溶液的腐植物质，其分子量比富里酸大，呈微酸性。胡敏酸的一价盐类溶于水，二价及以上盐类则不溶于水。富里酸(记为FA)及其盐类的溶解性较好，可溶于水、碱溶液或酸溶液中，其分子量比胡敏酸小，呈强酸性。

腐植酸的提取主要是利用其溶解性差异，通过酸、碱或有机溶剂为提取剂，分离和纯化腐植酸[4-6]。酸法、碱法或有机溶剂直接提取腐植酸可能会面临提取率低、腐植酸含量不高、资源浪费、破坏环境等难题。学者们在原料、溶剂和提取工艺等方面[7-8]进行改进和研究，以期提高腐植酸的含量和产率，达到工业应用价值。超微粉碎技术是一种物料加工新技术，一般可将超微粉体直接作为最终产品。该技术利用机械或流体动力的方法克服固体内部凝聚力，将0.5 mm～5.0 mm的物料粉碎成直径小于10 μm，甚至1 μm的超细粉体[9-10]，超微粉碎物料的比表面积和孔隙率提高，有效成分释放的几率增大[11]，该技术已广泛用于饲料、食品和医药等领域，但在矿煤粉碎并以超微粉体为原料提取有效成分的研究中鲜见报道。

本研究通过球磨粉碎和超微粉碎技术，改变褐煤的粒度，利用碱法制备胡敏酸和富里酸，通过容量法和UV-vis分光光度法分析胡敏酸和富里酸的组成和结构特征，为胡敏酸和富里酸的分离制备提供数据参考。

1 实验部分

1.1 原料

褐煤选自内蒙古东部白音华3号矿，空气干燥后，经过QM-3SP2型球磨机(南京南大仪器厂)粉碎过筛，依次得到粒度为425 μm，250 μm，150 μm，100 μm，80 μm和60 μm的褐煤粉末。

采用WZJ-6BT型超微粉碎机(济南倍力粉体有限公司)对褐煤进行超微粉碎，LS230型激光粒度仪(美国贝克曼库尔特有限公司)检测超微褐煤的平均粒度为13.28 μm。粒度分布见图1。

图1 超微褐煤的粒度分布Fig.1 Particle diameter distribution of ultra-fine lignite

1.2 实验方法

1.2.1 碱法制备胡敏酸和富里酸

称取不同粒度的褐煤粉末各50 g，分别加入150 mL 5%(质量分数)NaOH溶液，搅拌均匀，敞口放置24 h，碱液与褐煤粉末充分浸润并发生成盐反应，得到碱性的褐煤煤浆。褐煤煤浆中加入80 ℃热水1 000 mL，调节pH值为12，磁力搅拌30 min，冷却至室温，离心并收集提取液，煤渣重复加水提取，提取液澄清为止，合并所有提取液，即为总腐植酸的提取液。

用1 mol/L H2SO4溶液调节总腐植酸提取液，使pH值为11，离心弃去黑腐酸沉淀。腐植酸溶液继续调节pH值为7时，冷却至室温，离心，析出的沉降物即为胡敏酸；腐植酸溶液继续调节pH值为3时，冷却至室温，离心，析出的沉降物即为富里酸。

1.2.2 容量法测定腐植酸的含量

分别称取0.2 g±0.001 g褐煤、胡敏酸和富里酸，100 mL 1%NaOH溶液为提取剂，沸水浴加热2 h，采用GB/T 212-2001容量法测定游离腐植酸含量，褐煤和胡敏酸的含碳比为0.59，褐煤和富里酸的含碳比为0.50，并由公式(1)计算胡敏酸或富里酸的提取率。

(1)

1.2.3 紫外分光光度法测定E4/E6值

E4/E6为波长465 nm和波长665 nm的吸光度之比，是腐植酸的特征性参数之一。E4/E6值越低，腐植酸的芳香缩合度越高、分子量越大或共轭羰基(醌基)含量越高[12]。称取0.02 g±0.001 g的胡敏酸或富里酸，溶于0.05 mol/L NaHCO3溶液中，充分搅拌，使其溶解，并用1%(质量分数)NaOH或0.1 mol/L HCl溶液调节pH值为8，定容至100 mL。以0.05 mol/L NaHCO3溶液为参比，用L6S型紫外分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司)测定波长分别为465 nm和665 nm的吸光度，计算E4/E6值。

1.2.4 DPPH法测定抗氧化活性

DPPH(1，1-二苯基-2-三硝基苯肼)的乙醇溶液呈紫色，在波长为519 nm处有最大吸收峰，加入抗氧化剂后，DPPH自由基捕捉一个电子与自身N上的游离电子配对，紫色褪去，在波长为519 nm处的吸收峰减弱。根据此原理用分光光度计检测DPPH自由基与抗氧化剂溶液反应后的吸光值变化，检测样品清除自由基的抗氧化能力[13-14]。抗氧化能力用清除率来表示，清除率越大，抗氧化性越强。

移取2 mL 0.033 mg/mL DPPH溶液与2 mL无水乙醇于试管中混合均匀，避光保存0.5 h，在波长为519 nm处测定吸光值记为α0。再移取2 mL 0.033 mg/mL DPPH溶液，加入2 mL 1 mg/mL的腐植酸乙醇溶液，混合均匀，避光保存0.5 h，在波长为519 nm处测定吸光值记为α1，由公式(2)计算腐植酸的抗氧化能力。

(2)

2 结果与讨论

2.1 褐煤粒度对游离腐植酸含量的影响

图2所示为不同粒度下游离腐植酸质量分数的变化关系。由图2a可知，褐煤粒度减小，褐煤中游离腐植酸含量增加。褐煤粒度由425 μm减小到80 μm时，褐煤中游离腐植酸的质量分数增长缓慢；褐煤粒度减小为60 μm时，游离腐植酸的质量分数增长至10.0%。当褐煤粒度再减小为13.28 μm时，超微粉碎褐煤中游离腐植酸的质量分数可达20.7%。说明粉碎研磨提供的机械作用力，破坏了褐煤原料内部的凝聚力，增大了腐植酸被释放的几率。褐煤颗粒越小，褐煤中游离腐植酸的含量越高。

图2 不同粒度下游离腐植酸的质量分数Fig.2 Mass fraction of free humic acid with different particle diametersa—Lignite；b—HA；c—FA

由图2b可知，不同粒度褐煤制备胡敏酸中游离腐植酸的质量分数范围为10%～30%；与图2a中同一粒度褐煤游离腐植酸的质量分数相比，胡敏酸中游离腐植酸的质量分数均有不同程度增加。粒度分别为100 μm和80 μm褐煤制备的胡敏酸中游离腐植酸的质量分数增加程度偏小，其他粒度褐煤制备的胡敏酸中游离腐植酸的质量分数提高了20%左右。当超微粉碎褐煤的粒度为13.28 μm时，胡敏酸中游离腐植酸的质量分数可达25.4%。

由图2c可知，不同粒度褐煤制备富里酸中游离腐植酸的质量分数范围为40%～50%；与图2a中同一粒度褐煤腐植酸的质量分数相比，富里酸中游离腐植酸含量增加较为明显。当超微粉碎褐煤的粒度为13.28 μm时，富里酸中游离腐植酸的质量分数为47.4%。

2.2 粒度对腐植酸提取率的影响

对不同粒度褐煤制备的胡敏酸和富里酸进行称量，记录其质量，根据公式(1)计算胡敏酸和富里酸的提取率。随褐煤粒度变化，胡敏酸和富里酸提取率的分布关系见图3。

由图3可知，褐煤粒度在150 μm，250 μm和425 μm时，胡敏酸和富里酸的提取率均低于30%；褐煤粒度为150 μm，胡敏酸的提取率最高为29.98%，胡敏酸的提取率高于富里酸的提取率。褐煤粒度在100 μm以下时，富里酸的提取率均高于胡敏酸的提取率，富里酸的提取率均高于30%，胡敏酸的提取率均低于30%。

图3 不同粒度下胡敏酸和富里酸的提取率Fig.3 Extraction rate of humic acid and fulvic acid with different particle diameters

由图3还可知，褐煤粒度为13.28 μm时，总腐植酸提取率为86.34%，富里酸的提取率为62.28%；褐煤粒度为100 μm时，总腐植酸提取率为86.99%，富里酸的提取率为68.20%；褐煤粒度为80 μm时，总腐植酸提取率为62.04%，富里酸提取率为53.71%，胡敏酸提取率最低；褐煤粒度在60 μm，150 μm和250 μm时，褐煤的总腐植酸提取率在40%～50%；褐煤粒度为425 μm时，胡敏酸和富里酸的提取率非常接近且总提取率最低。

腐植酸提取率随粒度的变化关系表明，褐煤粒度越大，总腐植酸提取率越低；褐煤粒度越小，富里酸的提取率越高。可能原因是，煤质硬、粒度大、溶剂与煤的浸润和成盐反应不够充分，导致提取率偏低。粒度小，褐煤蓬松，颗粒内部凝聚力降低，比表面积和孔隙度增大，溶剂与煤的浸润和成盐反应比较充分，富里酸释放几率增大，导致提取率增加。

2.3 粒度对腐植酸E4/E6值的影响

采用分光光度法测定不同粒度下胡敏酸和富里酸的E4/E6值，结果见图4。

图4 不同粒度下胡敏酸和富里酸的E4/E6值Fig.4 E4/E6 of humic acid and fulvic acid with different particle diameters

由图4可知，粒度在425 μm～100 μm范围内，富里酸的E4/E6值高于胡敏酸的E4/E6值，因此，富里酸的分子量和芳香缩合度比胡敏酸的分子量和芳香缩合度低。粒度在80 μm～13.8 μm范围内，富里酸的E4/E6值低于胡敏酸的E4/E6值，富里酸的分子量和芳香缩合度高于胡敏酸的分子量和芳香缩合度。

随着粒度减小，胡敏酸E4/E6值的变化呈增大趋势，说明胡敏酸分子量变小且芳香缩合度降低。当粒度为13.28 μm时，胡敏酸的E4/E6值与富里酸的E4/E6值非常接近，说明超微粉碎褐煤制备的胡敏酸分子量和芳香缩合度最小，分子结构与富里酸相似。

褐煤粒度越小，粉碎研磨的机械作用力对腐植酸连接键的破坏程度加大，使得胡敏酸的分子大小向富里酸分子靠近。褐煤粒度减小，胡敏酸和富里酸的沉降析出速度变慢，在一定的时间内，胡敏酸析出不完全。在富里酸继续沉降析出的过程中，胡敏酸也在沉降析出，使得富里酸和胡敏酸的析出界限模糊，导致富里酸的E4/E6值降低。

2.4 粒度对腐植酸抗氧化活性的影响

不同粒度褐煤制备的富里酸和胡敏酸进行DPPH的抗氧化活性实验，结果见图5。

图5 不同粒度下胡敏酸和富里酸的DPPH清除率Fig.5 DPPH scavenging rate of humic acid and fulvic acid with different particle diameters

由图5可知，不同粒度下，富里酸的DPPH自由基清除率为10%～50%，说明富里酸有一定程度的抗氧化活性。粒度为100 μm，150 μm，250 μm和425 μm时的富里酸，DPPH自由基清除率达到40%～50%，原因可能是，富里酸含氧官能团的自由基与DPPH自由基相结合，富里酸的含氧官能团越多，DPPH自由基清除率越高，抗氧化活性越好。粒度为60 μm和80 μm时，富里酸的DPPH自由基清除率偏低，抗氧化活性弱，说明褐煤粒度变小，球磨粉碎研磨的机械作用力破坏了富里酸的含氧官能团。粒度为13.28 μm的超微粉碎褐煤，富里酸的DPPH自由基清除率达到了41.3%，说明超微粉碎对富里酸含氧官能团的数量影响较小。

不同粒度下，胡敏酸的DPPH自由基清除率为负值，不能真实反映胡敏酸的抗氧化活性程度。由于胡敏酸的DPPH抗氧化活性测定的研究基础薄弱，实验采用活性成分的DPPH抗氧化活性检测方法。DPPH自由基清除率的测定选用乙醇溶解样品，但胡敏酸中可溶解于乙醇的组分较少，因此，可溶的胡敏酸与DPPH自由基的结合概率较小，胡敏酸多以干扰成分存在，导致吸光度出现负值，因此，DPPH的自由基清除率也为负值。

3 结 论

1) 粉碎研磨的褐煤粒度为425 μm，250 μm和150 μm时，胡敏酸和富里酸的总提取率不高，但富里酸的抗氧化活性较高；粉碎研磨的褐煤粒度为80 μm和60 μm时，胡敏酸和富里酸的总提取率增加，但富里酸的抗氧化活性明显减弱。

2) 粉碎研磨的褐煤粒度为100 μm时，胡敏酸和富里酸的总提取率为86.99%，且富里酸的提取率达到了68.20%，DPPH自由基清除率为49.8%，但富里酸和胡敏酸的分子量和聚合度的差异较为明显。

3) 超微粉碎的褐煤粒度为13.28 μm时，富里酸和胡敏酸的分子量和聚合度最为相似，胡敏酸和富里酸的总提取率为86.34%，富里酸的提取率可达到62.28%，游离腐植酸质量分数为47.4%。富里酸的DPPH自由基清除率为41.3%，抗氧化活性明显，说明超微粉碎对富里酸的含氧官能团影响较小。