超声波-KOH联合提取腐植酸工艺研究

胡一奇，张 强，杨治平 ，闫 敏

（1.山西大学生物工程学院，山西太原 030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原 030031）

腐植酸是动植物残体通过复杂的生物、化学作用形成的一种高分子化合物，它富含多种活性基团[1]，被广泛应用于农业、工业、医药、环境保护等领域[2]。我国风化煤的储量非常丰富，估计有近1 000亿t[3]，且分布范围极广，其中，山西省的含量十分巨大。风化煤中含有大量的可再生腐植酸，是土壤有机质的重要组成成分，可以改良土壤结构、pH以及其他理化性质，起到活化土壤的作用，是腐植酸的主要来源之一[3-5]。

关于矿源腐植酸的提取方法，国内外已有大量的研究，主要有酸抽提法、微生物溶解法及碱抽提法3种[6-8]。而研究中使用较多的是碱抽提法，即“碱溶酸析”法，采用该方法生产腐植酸。腐植酸以游离酸及其金属盐（腐植酸盐）式的形态存在于煤中，但在煤中含量较低，使得其产率也较低。因此，在提取时需要进行预处理，目前多采用硝酸氧化预处理，但环境污染大[9]。关于如何提高腐植酸产率、减轻环境污染已成为工业中的一大难题。学者们对褐煤、泥炭、草炭等低质煤中提取腐植酸进行了大量研究。关于超声波活化提取也有很多研究，超声波可以破坏风化煤的物理结构[10]，增加风化煤与提取液的接触面，以此提高风化煤腐植酸的提取率。

本研究采用超声波的预处理方法，与KOH溶液共同提取风化煤腐植酸肥料，通过腐植酸含量和提取率来确定提取腐植酸的最佳工艺参数，并研究了其结构变化，对开发煤炭的非燃料利用新途径具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为风化煤（山西霍州），其总腐植酸含量34.45%，游离腐植酸含量34.43%，水溶腐植酸含量0.3076%，黄腐酸含量0.31%。

1.2 试验方法

称取500 g风化煤，放入5 000 mL烧杯中，按一定比例加入KOH溶液，搅拌均匀后，放入超声波碳粉分离机处理池中，按照设定功率、时间和温度进行样品处理。处理完毕后，静置过夜（14 h），离心，得到上清液，备用；将部分上清液用冷冻干燥机制成粉剂，备用。

1.2.1 测定最佳KOH浓度 选用超声波功率300W，时间40 min，温度40℃，固液比1∶8，按KOH液体浓度分别为0.5%，1%，2%，3%测定腐植酸含量，得出最佳KOH浓度。

1.2.2 测定最佳固液比 选用超声波功率300 W，时间40 min，温度40℃，最佳KOH浓度的溶液，按固液比 1∶2，1∶4，1∶8，1∶10，1∶12，1∶16 的比例测定腐植酸含量，得出最佳固液比。

1.2.3 测定最佳提取时间 选用最佳KOH浓度的溶液，最佳固液比，超声波功率300 W，温度40℃，按时间15，30，45min测定腐植酸含量，得出最佳提取时间。

1.2.4 测定最佳功率 选用最佳KOH浓度的溶液，最佳固液比，最佳时间，温度40℃，按功率75，150，300，600，900 W 测定腐植酸含量，得出最佳功率。

1.2.5 测定最佳温度 选用最佳KOH浓度的溶液，最佳固液比，最佳功率，最佳时间，按温度30，45，60℃测定腐植酸含量，得出最佳温度。

1.2.6 水溶腐植酸的测定 参照鲍士旦[11]的分析方法测定游离腐植酸，将提取液改为纯净水。

1.2.7 红外光谱测定 采用VECTOR22型傅立叶红外光谱仪对所联合提取的腐植酸粉剂、超声波处理的风化煤样品和原风化煤样品进行测试。将样品进行 KBr压片，测试条件为：4 000～400 cm-1，扫描次数为32次，分辨率为4 cm-1。

2 结果与分析

2.1 不同KOH浓度对腐植酸提取的影响

从图1可以看出，水溶腐植酸的含量和提取率与KOH溶液的浓度呈正相关，随着提取液中KOH浓度的增大而增加；在KOH溶液浓度为2%后曲线转缓，2%KOH处理与3%KOH处理间差异不明显，故选出提取风化煤腐植酸的KOH溶液浓度最佳为2%，其水溶腐植酸含量和提取率分别达到了19.64%和56.12%。

2.2 不同固液比对腐植酸提取的影响

从图2可以看出，水溶腐植酸的含量和提取率随着固液比比例的增加呈现上升的趋势，即风化煤在提取过程中所占比例越小所得腐植酸越多，提取效率也越高。从1∶2处理到1∶8处理，提取率直线上升，但在1∶8处理至1∶16处理间则表现平缓，差异不明显，可能是由于此时提取率已接近最高，故选用1∶8为最佳固液比，其水溶性腐植酸含量和提取率分别达到了20.85%和59.61%。

2.3 不同提取时间对腐植酸提取的影响

从图3可以看出，提取时间对提取结果的影响为逐渐上升的趋势，提取时间为30，45 min的处理好于提取时间为15 min的处理，但二者之间差异较小。因此，选择30 min作为提取参数，其水溶腐植酸含量为20.82%，提取率达到59.55%。

2.4 不同超声波功率对腐植酸提取的影响

从图4可以看出，超声波功率对提取结果的影响呈先上升后下降的趋势，在超声波功率为150 W时，水溶腐植酸含量和提取率均较高，分别达到了22.34%和63.97%。所以，超声波功率选取150 W作为最佳参数。

2.5 不同温度对腐植酸提取的影响

从图5可以看出，提取温度对水溶性腐植酸含量和提取率的影响存在先上升后下降的趋势，在温度为45℃时，其值达到最高，分别为22.81%和65.32%。所以，选取温度45℃为最佳温度参数。

2.6 红外光谱分析结果

由图6可知，风化煤经过超声波处理的样品（T2）的红外光谱与风化煤原样品（T1）的红外光谱曲线很相似，在1 296～1 202 cm-1处有明显的加强峰和肩峰，此处为酚、醇键的吸收峰，说明超声波处理增加了酚、醇官能团的含量。

由图7可知，风化煤经过联合提取的腐植酸样品（T4）的红外光谱与风化煤经过KOH处理的腐植酸样品（T3）的红外光谱曲线很相似，在1 031 cm-1处有明显的加强峰，且是由酚羟基的特征吸收峰和Si-O振动引起的；在690～430 cm-1处有明显的平缓加强峰和一些肩峰，可能与芳环上C-H的面外弯曲振动有关，有利于改善腐植酸的离子交换性等。从图7还可以看出，在提取的腐植酸谱线与KOH处理的谱线接近，说明提取中以KOH的作用为主，超声波处理起到活化的作用。

3 结论与讨论

风化煤腐植酸是由成煤物质经生物化学等复杂作用或经氧化（包含风化）而形成能溶于稀苛性碱（KOH，NaOH）溶液的多种缩合芳香烃基、羧酸基化合物的混合物[12]。结合态腐植酸的生物活性很低，一般不能在农业生产中直接使用，而游离腐植酸具有较高的迁移性、反应性，在腐植酸的活性作用当中占主要功能[13-14]。矿源腐植酸多存在于低阶煤中，例如风化煤、褐煤以及泥炭等，在我国拥有丰富的矿产资源，储量丰富，种类多元且分布广泛[15]，为我国的煤质腐植酸的研究以及腐植酸的应用奠定了坚实的基础[16]。但低阶煤的活性低，直接导致了矿源腐植酸的制备率低，且不环保。

超声波是一种频率高于20 000 Hz的声波，其方向性好，穿透力强，易于获得较集中的声能，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用[17]。其在高分子化合物降解、有机合成、提取分离等方面得到了广泛的研究及应用[18]，汤锦程等以油茶籽油油脚为原料，采用干式皂化、超声波强化无水乙醇提取甾醇，探讨了各因素对提取甾醇得率的影响[19]。李粉玲等研究了超波辅助法提取凤凰茶多糖的最佳提取条件为：料液比1∶40、超声波功率350 W、超声时间20 min、超声温度70℃[20]。钟世霞等[21]以风化煤为原材料，风化煤腐植酸的最佳活化条件为水煤比8∶1、超声波功率200 W、时间25 min。与本试验结果相似，即超声波-KOH联合提取风化煤腐植酸的最佳条件是KOH溶液浓度为2%、固液比1∶8、超声波功率150 W、活化时间30 min、温度为45℃。同时，超声波-KOH联合提取腐植酸可使提取率达到65%以上，大大提高了腐植酸的产出效果。虽然提取率受多个因素的影响，但KOH溶液和固液比为主要影响因子，也就是说，与碱的提取效率相比，超声波处理只起到活化的作用。另外，从红外分析腐植酸与风化煤结构的变化显示，超声波可以增加腐植酸的活性官能团，提高腐植酸的活性及施用效果，利于腐植酸在土壤肥力、土壤修复和土壤改良效果上的应用及机制研究。