稻秸秆硝解制备黄腐酸和腐植酸研究

李斌斌， 吴诗勇， 吴幼青， 黄 胜， 高晋生

（华东理工大学能源化工系，上海 200237）

黄腐酸（FA）和腐植酸（HA）是腐殖质中无定形的有机混合物[1]，FA 相较于HA 具有更小的分子量和更高的生物活性，并含有丰富的羧基、酚羟基、醌基、甲氧基等多种官能团[2]，广泛应用于农业[3]、工业[4]、医疗[5]及环境[6]等领域。矿物源和生化源是目前HA和FA 生产的主要来源，矿物源是对风化煤、泥炭等进行HNO3氧化[7]、双氧水活化[8]、氨解[9]等化学活化过程后提取而得，生化源主要是通过菌种发酵生物质资源[10]活化获得。

研究表明，HNO3具有很强的氧化性，对低阶煤中的有机物有降解、硝化、氧化等多重作用[11]，对于提高FA 和HA 的含量，降低其分子量，提高含氧官能团含量作用明显[12]。秸秆具有与低阶煤较为相似的成分和结构特征，且我国的农作物秸秆资源丰富，各类农作物约为7×109t，其中水稻、小麦和玉米等约有5×109t[13]，是可替代煤炭资源制取FA 和HA 的原料。以秸秆为原料与HNO3反应制取FA 和HA 可以拓宽其生产途径，并有效降解秸秆，解决秸秆焚烧污染的环境问题[14]。

吕品等[15]用多种处理液降解秸秆制取HA，认为采用HNO3和乙酸处理较为有效，但用化学法氧化秸秆制备HA 的研究还不够深入。本文对HNO3氧化硝解秸秆制取FA 和HA 的工艺进行较为系统的研究，对影响FA 和HA 收率的因素进行考察并得出正交试验阶段制备FA 的较优工艺条件，对产物FA 和HA 进行分析表征，为实际生产提供了必要的理论依据。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

实验原料为稻秸秆，选自江苏省高邮市，粉碎后过100 目（150 μm）筛，60 ℃烘干备用。原料的元素分析及工业分析见表1。实验试剂为硝酸、焦磷酸钠、氢氧化钠、重铬酸钾、硫酸等，均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 硝酸氧化制备HA 及产物分离过程

称取稻秸秆3.00 g 置于三口烧瓶中，加入45 mL质量分数为5%的HNO3溶液（溶液体积与原料质量之比（液固比）为15 mL/g），置于磁力搅拌器加热搅拌至80 ℃反应1 h，冷却抽滤分离，洗涤残渣至中性。过滤后测定滤液中的FA 含量和滤渣中HA 含量。滤液在60 ℃烘箱中烘干得到FA，滤渣加入焦磷酸钠碱液水浴加热抽提2 h，冷却至室温过滤出反应余渣（Reaction Residue，RR），反复抽提至滤液无色。滤液中加入硫酸溶液调节pH=1，静置24 h，过滤出HA 并在60 ℃烘箱中烘干。其他条件不变，分别调节HNO3质量分数、反应温度、反应时间和液固比，考察各个因素对HA、FA 收率的影响。收率计算方法如下：

表1原料工业分析与元素分析Table1Proximate analysis and ultimate analysis of raw materials

式中： η1为FA 收率，%； η2为HA 收率，%； η3为RR收率，%； w1为滤液中FA 质量分数，%； w2为滤渣中HA的质量分数，%； m 为原料的质量，g； m1为滤液的质量，g； m2为滤渣的质量，g； m3为RR 的质量，g；wAad为原料灰分的质量分数，%。

1.3 正交试验设计方法

在单因素探究的基础上，以活性较高的FA 的收率为响应值，设计了四因素四水平的L16（44）的正交试验。选取HNO3质量分数、反应温度和液固比3 个因素为正交试验考察的因素，设定反应时间1 h，并设置了空白组。正交试验设计因素及水平见表2。

表2正交试验因素与水平Table2Factors and levels of orthogonal test

1.4 产物表征

1.4.1 FA、HA 含量的测定 FA 含量采用NY/T 3162-2017《肥料中黄腐酸的测定 容量滴定法》[16]测定，HA 含量采用HG/T 3276-2012《腐植酸铵肥料分析方法》[17]中容量法测定。

1.4.2 元素分析 采用Vario Macro Cube（艾力蒙塔贸易（上海）有限公司生产）元素分析仪进行元素分析，分析基准为60 ℃烘干后的无灰基。

1.4.3 红外光谱分析 进行KBr 压片，使用Nexus 470红外光谱仪（美国尼高力公司生产）在4 000～400 cm−1对样品进行扫描。

1.4.4 紫外-可见光谱分析 取烘干后的FA 和HA溶于0.05 mol/L NaHCO3溶液中配制成200 mg/L 的溶液，采用UV-754N 型紫外-可见光分光光度仪（上海佑科仪器仪表有限公司生产）进行扫描，扫描范围为190～800 nm。

2 结果与讨论

2.1 工艺条件对收率的影响

图1 示出了HNO3质量分数对FA、HA 和RR 收率的影响。由图可知，随着HNO3质量分数的增加，FA 的收率先升高再降低，HNO3质量分数为5%时FA 收率为28.21%；HA 和RR 的收率均随HNO3质量分数的增加而降低。这是由于在HNO3质量分数为0.1%时，反应速率较慢，此时主要是秸秆氧化分解为分子量较大的HA 而没有分解为分子量更小的FA，所以HA 收率为28.12%而FA 收率仅为2.52%。当HNO3质量分数由0.1%升高到5%时反应加快，促进HA 分解为分子量较小的FA，HA 的收率降低到17.31%，而FA 的收率升高到29.20%。当HNO3质量分数高于5%时，HNO3对秸秆和HA 的继续氧化以及对FA 的大量分解导致了FA、HA 和RR 收率的下降。

图1HNO3 质量分数对收率的影响Fig.1Influence of w(HNO3) on yield

图2 示出了反应温度对FA、HA 和RR 收率的影响。由图可知，FA 的收率随着温度的升高而升高，在反应温度为90 ℃时收率达到了32.93%，而HA 和RR 的收率随温度升高而降低。表明升高温度可以促进HNO3氧化水解秸秆生成HA，并加快分解分子量大的HA 为分子量小的FA。当把反应温度升高至100 ℃时，HNO3分解明显，释放出大量的棕红色气体，因此反应温度不宜过高。

图2反应温度对收率的影响Fig.2Influence of reaction temperature on yield

图3 示出了反应时间对FA、HA 和RR 收率的影响。由图可知，FA 收率在30 min 时达到30.60%，之后基本保持不变；HA 和RR 收率随时间的延长而略微下降。当反应时间为10 min 时，RR 的收率仅有51.05%，说明在加热阶段，秸秆中易于氧化水解的部分已经大量反应，而在10 min 后RR 的收率下降较慢，说明HNO3与秸秆的反应很慢，主要反应为HA分解为FA、FA 的分解及HNO3对分解产物的硝化作用。

图3反应时间对收率的影响Fig.3Influence of reaction time on yield

图4 示出了液固比对FA、HA 和RR 收率的影响。由图可知，提高反应的液固比，FA 和RR 的收率略有升高但总体影响较小，FA 收率维持在30%左右，HA 收率降低也不明显。由于秸秆密度较低，较低的液固比难以将秸秆完全浸没，所以无法将液固比降到很低的水平，提高液固比增加了实际生产的经济成本和后续处理成本却收效甚微，因此将液固比维持在15 mL/g 以下较为合适。

图4液固比对收率的影响Fig.4Influence of liquid-solid ratio on yield

由以上研究可知，HNO3与秸秆的反应主要分为3 个阶段：秸秆首先分解为分子量较大的HA，其次HA 继续分解为活性较高、分子量较小的FA，最后FA 彻底分解为CO2和H2O。秸秆硝解制备HA和FA 的工艺条件中HNO3质量分数、反应温度和反应时间对HA 和FA 的收率影响较大，液固比对其收率的影响较小。HNO3质量分数由0.1%提高到5%，反应温度提升到90 ℃和延长反应时间至30 min 均可以促进反应的进行，提高活性较高的FA 的收率，超出这个范围就会造成过度氧化而分解为CO2和H2O，所以实际工业生产中确定合理的HNO3质量分数、反应温度和反应时间尤为重要。降低液固比对降低经济成本也有显著意义。

2.2 正交试验结果与分析

表3 所示为FA 和HA 收率及关于FA 和HA 收率的正交试验极差分析。由表3 可知，对于FA 的收率，反应温度的极差最大，液固比的极差最小，即在限定的条件中，反应温度对FA 收率影响最大，其次是HNO3质量分数，最后是液固比。对照正交试验极差分析结果，确定在限定的条件下制备FA 的较优工艺条件为：HNO3质量分数5%、反应温度90 ℃、液固比13 mL/g。由于液固比对FA 收率的影响并不明显，考虑到经济性因素，若应用于实际生产可以适当降低液固比。分析HA 收率的极差和方差可得到类似的结论。对试验结果进行方差分析可知，在显著性水平（α）为0.05 的条件下，由F 检验对FA 收率进行分析可知，反应温度和HNO3质量分数的F 比分别为408.583 和29.358，均大于F 临界值（9.28），因此，HNO3质量分数和反应温度对HA 收率具有显著性影响，而液固比对HA 收率无显著性影响。

按照正交试验得到制备FA 的较优工艺条件，本文进行了4 次试验，FA 的收率分别为32.80%、32.04%、32.58%、33.12%，其平均收率在32.63%左右。在该条件下的HA 的收率分别为12.46%、13.12%、12.84%、12.66%，平均收率约为12.77%。

表3正交试验结果及分析Table3Results and analysis of orthogonal test

2.3 产物分析

表4 示出了对在较优条件下得到的FA 和HA进行元素分析的结果。HA 和FA 的主要组成元素为C、H、O、N、S 及金属元素[18]，通常情况下，较低的C 含量和较高的O 含量表明其活性较高[19]，而nC/nH和nC/nO则分别表征了其芳香化程度和酸性官能团含量。由表4 可知，此工艺下FA 的C 质量分数为36.82%，相较于煤炭FA 的48%～50%[20]处于较低的水平，而HA 的C 质量分数与煤炭HA 相比也表现出较低的水平，表明了稻秸秆硝解制得的FA 和HA 具 有 较 高 的 活 性。FA 的nC/nO为0.87，HA 的nC/nO为1.93，都小于2，表明其结构中具有较多的酸性基团。HA 的nC/nH为0.73，与FA 的nC/nH（0.78）大致相当，接近于1,表现出明显的芳香特征，这一特征表明HA 溶解后易于释放H+，导致出现明显的负电荷，该负电荷对金属元素活泼，易与Fe3+、Pb2+等重金属离子发生反应生成稳定的复合物[21]，在土壤修复领域会有较高的利用价值。

表4产物的元素分析Table4Ultimate analysis of products

图5 为HA 和FA 的红外光谱图，分析图谱可知，在3 450、2 360、1790、1740、1 640、1 390、667 cm−1处存在吸收峰。各吸收峰归属如下：3450cm−1（氢键缔合—OH）；2360cm−1（羧酸的氢键缔合−OH）；1790cm−1（羧酸酐对称）；1740cm−1（羧基中的C＝O）；1640cm−1（芳香共轭双键，C＝ C，C＝ O）；1390cm−1（硝基）；667 cm−1（磺基、硫醇基等振动）。FA 红外光谱分析结果表明，产物表现出较为明显的芳香结构，符合FA 的基本结构特征。羧基、羟基等酸性官能团是芳核的侧链或桥碳原子被氧化的结果，证明了HNO3的氧化作用，硝基的吸收峰则证明了HNO3对秸秆的硝化作用。HA 的红外光谱较FA 而言，在1 790、1 740、1390cm−1处的吸收峰不明显。

图5产物的红外光谱图Fig.5Infrared spectra of the product

图6 为产物的紫外-可见光谱图。E465/E665是FA 在465 nm 和665 nm 处吸光度的比值，是HA 和FA 的特征常数。郑平[22]认为E465/E665与其共轭程度有关，包括芳香环的共轭程度和羧基的共轭程度，共轭程度与E465/E665的大小呈负相关。FA 的E465/E665为13.87，HA 的E465/E665为8.47，相较于煤基FA 表现出较低的共轭程度，则意味着秸秆硝解制备的FA 和HA 拥有更小的分子量和更高的活性。由图6 可知，FA 在230 nm 处有一个明显的特征峰，而HA 的特征峰略微靠后，这可能是其中的芳香烃经过取代造成的，在300 nm 之后均没有明显的特征峰。

图6产物的紫外-可见光谱图Fig.6UV-Visible spectra of the product

3 结 论

（1）通过单因素分析和正交试验对HNO3氧化稻秸秆制取FA 和HA 的工艺进行了探究，结果表明，一定程度提高HNO3质量分数，升高反应温度或延长反应时间均可以促进秸秆分解为HA 并进一步分解为FA，从而提高FA 的收率，液固比对FA 收率的影响较小。

（2）正交试验得到的制备FA 的较优条件为：HNO3质量分数5%、反应温度90 ℃、液固比13 mL/g，此条件下反应1 h 时FA 的平均收率约为32.63%，HA 的平均收率为12.77%。

（3）对产物进行元素分析，FA 和HA的nC/nO分别为0.87 和1.93，表明产物具有丰富的O，因此具有较强的活性；FA 和HA 的nC/nH分别为0.78和0.73，接近于1，表明产物具有明显的芳香结构。红外光谱分析结果表明FA 具有硝基腐植酸的结构特征，证明了HNO3的氧化和硝化作用，而HA 的硝基特征不明显。紫外-可见光谱分析得到FA 的E465/E665为13.87，HA的E465/E665为8.47，均高于矿源FA 和HA 的相应值。