萃取剂与预处理对甲烷发酵泥炭腐植酸结构的影响

路亚楠，马力通,2

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

0 引 言

泥炭是成煤演替序列的第一阶段[1]，在微生物作用下，成炭植物遗体发生分解、合成、聚集转变为泥炭。由于泥炭中含有大量未分解的植物残体[2]，未经处理的泥炭难于被微生物降解，大量泥炭生物甲烷化过程中，预处理是不可或缺的步骤。GAWE[3]等以木质纤维素废物为原料，讨论了木质纤维素发酵和酸碱预处理发酵对生成甲烷和氢气的影响。研究发现硫酸预处理可溶解高达80%的木质纤维素，碱性预处理效率更高，特别能溶解某些不能用酸溶解的硬质材料，对生成甲烷和氢气有促进作用。ANNIEK等[4]以富铁泥炭为研究对象，通过培养试验研究了不同盐离子对甲烷生产和消耗的影响。甲烷在没有任何添加物时产量较高，Fe(III)氧化物对甲烷排放有促进作用，而亚硝酸盐、硝酸盐和富含硫酸盐的物质会抑制甲烷产生。

泥炭的另一主要化学成分腐植酸结构非常复杂，主要含氧官能团包括羰基、酚羟基、醇羟基、羧基、烷氧基、醌基等[5]，尽管进行了广泛研究，但仍无法完全表征，现主要采用碱溶酸析法提取腐植酸，通过元素分析、荧光光谱、紫外-可见光谱、电子与振动光谱、傅里叶变换红外光谱和核磁共振光谱等进行表征[6]。郭雅妮等[7]采用碱溶酸析、氧解法和催化法提取陕西黄陵风化煤腐植酸，并探索最佳工艺条件，对腐植酸性能进行表征。结果显示最佳方法为催化法，提取腐植酸灰分最多，分子量最大，且含有大量羧基羰基等官能团。

水利移民安置工程涵盖范围较广、领域多所以移民信息量极大，所以水利移民安置的基础数据和相关工程数据的收集和整理是其安置工程的核心技术。

笔者课题组前期研究工作证实：预处理能强化泥炭原料转化为生物甲烷[8]，且已有泥炭提取腐植酸的相关报道，但鲜见甲烷发酵耦合腐植酸提取相关研究。因此，笔者以草本泥炭为研究对象，探索预处理甲烷发酵耦合泥炭腐植酸提取的可行性，解决泥炭利用率低及资源浪费的关键问题，实现高甲烷得率下提取泥炭腐植酸，同时探索不同萃取剂对腐植酸产率、含量、紫外可见光谱、傅里叶红外光谱、荧光光谱的影响，寻找碱溶酸析法提取腐植酸的最优萃取剂，为富含腐植酸的低阶煤资源加工利用探索新途径。

（2）林业技术推广是实现林业增长方式的重要途径。新的生态林业建设需要更多现代科技的支撑，比如在林业上下游产业结合方面在林业科技和产业的对接上都提供了更多的可能性，促进了林业的自身发展和相关产业的整合升级，逐步走向生态林业的立体式发展。

1 试 验

1.1 仪器与试剂

不同萃取剂与预处理甲烷发酵提取腐植酸样品的红外光谱(图5)出峰位置具有相似的吸收形状，只是吸收强度不同，表明不同萃取剂提取甲烷发酵和氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸结构具有相似性。比较不同方法提取的腐植酸样品的红外光谱与色谱纯腐植酸，确定不同方式提取腐植酸的变化，包括新峰出现、原有峰强度变化以及波长变化。

1.2 试验方法

准确称取40 g 0.15 mm草本泥炭于烧杯中，加入480 mL 3% NaOH溶液(固液比1∶12)，在70 ℃水浴加热110 min。冷却至室温，调节pH至7.0，同时做空白试验，做3组平行，分别置于发酵瓶中，加入300 mL活性污泥后调节pH至7.0，密封后置于恒温水浴锅中50 ℃进行甲烷发酵试验，日产气量至0时终止发酵，发酵残渣烘干备用。

甲烷发酵组和氢氧化钠预处理甲烷发酵组的甲烷总产量如图1所示，在泥炭甲烷发酵前采用氢氧化钠预处理，总产甲烷量比空白组提高12.30%。即相比于同等条件下只进行热处理的草本泥炭，氢氧化钠预处理后甲烷产量增长了1.12倍。说明采用氢氧化钠预处理草本泥炭甲烷产量明显增加，氢氧化钠预处理对甲烷发酵过程有明显促进作用。

称取40 g 0.15 mm草本泥炭于烧杯中，加入480 mL蒸馏水(固液比1∶12(g∶mL))，置于发酵瓶中，加入300 mL活性污泥后调节pH至7.0，密封后置于恒温水浴锅中，在50 ℃进行甲烷发酵试验，日产气量将至0 mL时终止发酵试验，发酵残渣烘干备用，平行做3组。

普洱市地处低纬度、高海拔地区，茶树具有萌发较早、采摘期长、芽叶肥壮等特点。普洱市旅游环线内森林覆盖率达94.5%，内有植物2014种，其中有药用植物野砂仁，花卉植物山海棠、兰花等，被称为“天然花园”。温度较为适宜，降雨量充沛，这使得普洱拥有怡人的康乐气候。旅游环线内水体资源，融“山、林、水、人”四大主题为一体，呈现出不同的水体形态。由于区内热量丰富，气候湿润，森林茂密，食物丰富，为野生动物的生息繁衍提供了十分优越的环境条件。普洱市拥有35个少数民族，不同民族，以茶待客、以茶联姻等，把茶文化发挥得淋漓尽致，成为一种文化标杆。

1.2.2氢氧化钠预处理草本泥炭甲烷发酵

1.2.1草本泥炭甲烷发酵

1.2.3碱溶酸析法提取甲烷发酵草本泥炭残渣腐植酸

称取5 g 0.15 mm甲烷发酵和氢氧化钠预处理甲烷发酵草本泥炭发酵残渣于烧杯中，分别加入20 mL的5% Na2CO3、5% NaHCO3、5% NH3·H2O、5% Na2SO3溶液(固液比1∶4)，浸泡24 h后加入100 mL蒸馏水(固液比为1∶20)，80 ℃下加热搅拌反应2 h。离心分离，得到上清液，并用蒸馏水清洗沉淀2～3次，将清洗液与上清液混合，得到滤液。采用5% H2SO4溶液调节滤液pH至2～3[9]，取下层沉淀置于80 ℃烘箱中烘至恒重，得产物待测。

1.3 腐植酸含量测定

称取0.2 g 烘干腐植酸样品(0.180～0.212 mm(70～80目))，采用1% NaOH溶解至100 mL，滤掉前10 mL滤液后取5 mL于250 mL锥形瓶中，依次加入0.4 mol/L重铬酸钾5 mL，浓硫酸15 mL，于沸水浴上加热氧化30 min，冷却至室温后，加入3～5滴邻菲罗啉指示液，采用硫酸亚铁铵标液滴定，溶液变至砖红色时即为终点[10]，记录硫酸亚铁铵消耗量，同时作空白试验。

(1)

烘干后的腐植酸样品用傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克TENSOR Ⅱ)记录波长4 000～400 cm样品的红外光谱。准确称取10 mg烘干腐植酸样品，用100 mg/L 碳酸氢钠溶液溶解至100 mL，用1% NaOH或0.1 mol/L HCl 调节pH至8.0[11]，以消除pH对紫外可见光谱及英国光谱测量结果的影响。分别用美国CAYR 5000紫外可见分光光度计、LS55荧光光谱仪记录。紫外可见光谱测量波长在200～800 nm，分辨率为1 nm，并记录280和465 nm处吸光度值分别记为E2、E4，以获得E2/E4比值。荧光光谱以1 000 nm/min 扫描速度记录，激发和发射狭缝带宽为8 nm。所有光谱扫描范围在275～650 nm，固定激发波长为274 nm。

1.4 红外光谱、紫外-可见光谱与荧光光谱的测定

式中，B为腐植酸质量分数，%；0.003为碳的毫克当量，g；V0为滴定空白时消耗硫酸亚铁铵的体积，mL；V1为滴定样品时消耗硫酸亚铁铵的体积，mL；N为硫酸亚铁铵物质的量浓度，mol/L；C为腐植酸含碳比系数(腐植酸为0.58)；G为样品质量，g；Va为腐植酸溶液总体积，mL；Vb为滴定腐植酸溶液体积，mL。

2 结果与讨论

2.1 氢氧化钠预处理对草本泥炭甲烷发酵的影响

青樱在转入帘幕之前望了她一眼，亦不觉叹然，怎么会有这样的女人？轻柔得如同一团薄雾轻云，连伤心亦是，美到让人不忍移目。

通过应用信息化科学技术可以实现土木工程设计和管理的优化，充分将建筑美学表达出来，实现土木管理的精细化。随着各项新的技术、设备逐渐研发，新的管理模式以及应用平台的更新，土木工程建设如果不能做到与时俱进势必会被社会淘汰，只有不断将适应现代化社会发展的需求，逐步提升管理水平，才能促进土木工程施工建设可持续发展。

图1 甲烷发酵和氢氧化钠预处理甲烷发酵总产气量

2.2 萃取剂种类与预处理对甲烷发酵泥炭腐植酸产率的影响

萃取剂萃取甲烷发酵(M)和氢氧化钠预处理甲烷发酵(SM)残渣腐植酸产率如图2所示，氢氧化钠预处理甲烷发酵后，腐植酸产率明显降低，碳酸钠、碳酸氢钠、氨水、亚硫酸钠萃取甲烷发酵残渣腐植酸分别降低16.54%、23.58%、11.30%、14.65%，笔者课题组研究发现[12]，甲烷发酵过程中会消耗利用腐植酸，以促进甲烷发酵过程，产生甲烷。氢氧化钠预处理甲烷发酵过程中更多的腐植酸被微生物消耗利用来促进甲烷发酵，以得到更多甲烷气体。这与甲烷发酵总产气量研究结果相匹配。

图2 萃取剂萃取甲烷发酵(M)和氢氧化钠预处理甲烷发酵(SM)残渣腐植酸产率

不同萃取剂萃取甲烷发酵残渣腐植酸的产率不同，亚硫酸钠萃取得到的腐植酸产率最高，萃取甲烷发酵残渣腐植酸产率达31.05%，萃取氢氧化钠预处理甲烷发酵残渣腐植酸产率达26.5%。且亚硫酸钠萃取氢氧化钠预处理甲烷发酵泥炭残渣腐植酸产率下降较低，为腐植酸提取最佳萃取剂。

2.3 萃取剂种类与预处理对甲烷发酵泥炭腐植酸含量的影响

不同来源、不同萃取剂获得样品的腐植酸含量如图3所示。氢氧化钠预处理甲烷发酵对腐植酸含量影响较小。碳酸氢钠萃取氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸仅降低2.7%，表明腐植酸来源影响较低。

图3 萃取剂萃取甲烷发酵(M)和氢氧化钠预处理甲烷发酵(SM)残渣腐植酸含量

萃取剂对腐植酸含量影响较强，碳酸钠萃取腐植酸含量最高，甲烷发酵腐植酸达27.76%，氢氧化钠达33.62%。即碱溶酸析法提取腐植酸时采用碳酸钠做萃取剂，可得较高含量的腐植酸。

2.4 萃取剂种类与预处理对甲烷发酵泥炭腐植酸结构的影响

2.4.1紫外-可见光谱

不同萃取剂与残渣腐植酸的紫外可见光谱如图4所示，同时以上海抚生实业的色谱纯腐植酸(Control)紫外可见谱图作为标准对照。腐植酸样品的紫外可见谱图均先增大后降低，并在220 nm 附近出现一个强吸收峰，是芳香苯环共轭双键的π→π*跃迁产生的特征吸收带E带[13]。氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸最大吸收峰出现红移，碳酸钠萃取腐植酸由215 nm红移至218 nm(图4(a))，碳酸氢钠萃取腐植酸由215 nm红移至217 nm(图4(b))，氨水萃取腐植酸由215 nm红移至226 nm(图4(c))，这可能是由于腐植酸为稠环芳烃，氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸环数增多，共轭链增长引起最大吸收峰红移或是因为氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸存在多种发色团或助色团，如苯羟基、苯羧酸基、苯环和共轭双键等，出现π→π*、n→π*跃迁[14]。

图4 萃取剂萃取甲烷发酵(M)和氢氧化钠预处理甲烷发酵(SM)残渣腐植酸紫外可见光谱

图6为不同萃取剂萃取甲烷发酵与氢氧化钠预处理甲烷发酵草本泥炭残渣腐植酸在固定激发波长为274 nm下的荧光光谱图。

表1 萃取剂萃取甲烷发酵和氢氧化钠预处理甲烷发酵残渣腐植酸E2/E4比值

不同萃取剂萃取腐植酸E2/E4比值不同，碳酸钠、亚硫酸钠萃取腐植酸的E2/E4比值较高，即分子量较低；碳酸氢钠、氨水萃取腐植酸的E2/E4比值较低，即分子量较高。碳酸钠、亚硫酸钠萃取腐植酸分别具有最高的产率与含量，且其分子量均较低，易被微生物利用，应为腐植酸较优萃取剂。

2.4.2红外光谱

本文设计了基于TMS320DM368的嵌入式声源定位系统,系统包括主处理器模块、语音采集模块、存储模块、电源模块,系统结构如图4所示。

选取吉林吉祥泥炭有限公司草本泥炭，经研磨粉碎后过0.15 mm(100目)；氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水、亚硫酸钠、邻菲罗啉、重铬酸钾均为分析纯，天津永晟精细化工有限公司；浓硫酸，北京化工厂。

图5 萃取剂萃取甲烷发酵(M)和氢氧化钠预处理甲烷发酵(SM)残渣腐植酸红外光谱

由图5可知，在3 340、2 925、1 650、1 560、1 030 cm-1处，不同萃取剂萃取腐植酸吸收峰由强到弱依次为Na2CO3-M> NaHCO3-M> Na2SO3-M> NH3·H2O，表明碳酸钠萃取腐植酸含有较多的羟基、亚甲基、羰基、苯环、醚键等官能团，根据含量测定结果碳酸钠萃取腐植酸含量最高，应为腐植酸最优萃取剂。在2 360、2 340 cm-1附近，峰强度均按 Na2SO3-M> NH3·H2O> NaHCO3-M> Na2CO3-M依次降低，亚硫酸钠萃取腐植酸含有较高的三键与累积双键。

2.4.3荧光光谱

E2、E4分别为280、465 nm处的光密度，E2/E4是表征腐植酸组成结构的重要指标，反映了腐植酸分子量，且呈负相关趋势，即E2/E4值越大，分子量越小[15]。由表1可知，氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸的E2/E4明显增大，碳酸钠萃取腐植酸预处理由甲烷发酵的4.84增大至7.15，碳酸氢钠萃取腐植酸预处理由4.62增大至6.13，氨水萃取腐植酸预处理由4.62增大至6.61，亚硫酸钠萃取腐植酸预处理由4.83增大至6.37，表明氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸分子量更小，且不同萃取剂萃取腐植酸的E2/E4比值均大于标准对照的E2/E4，表明在甲烷发酵过程中，腐植酸侧链被消耗利用，而氢氧化钠预处理能促进这一过程，更多的腐植酸侧链结构被消耗利用，导致腐植酸分子量降低。

由图6可以看出，腐植酸荧光光谱具有对称性，呈先增加后降低趋势，最大吸收峰在450～480 nm。经氢氧化钠预处理后腐植酸的最大荧光峰均发生蓝移，碳酸钠萃取腐植酸由459 nm 蓝移至456 nm(图6(a))，碳酸氢钠萃取腐植酸由458 nm蓝移至454 nm(图6(b))，氨水萃取腐植酸由497 nm蓝移至487 nm(图6(c))，亚硫酸钠萃取腐植酸由451 nm蓝移至450 nm(图6(d))，氢氧化钠预处理甲烷发酵会使残渣腐植酸共轭体系增大。可能是由于在氢氧化钠预处理甲烷发酵过程腐植酸中更多的脂肪碳链等结构简单化合物被消耗利用，导致氢氧化钠预处理后腐植酸具有较高的芳构化程度和复杂的结构，表明氢氧化钠预处理可以促进甲烷发酵过程，消耗利用更多腐植酸的脂肪族部分，这与总产气量结果相吻合。

[3]布阿德福尔：《新小说派概述》，肖曼译，柳鸣九编选：《新小说派研究》，北京：中国社会科学出版社，1986年，第493-494页。

图6 萃取剂萃取甲烷发酵(M)和氢氧化钠预处理甲烷发酵(SM)残渣腐植酸荧光光谱

不同萃取剂萃取腐植酸结构复杂程度不同，甲烷发酵组与氢氧化钠预处理甲烷发酵组腐植酸最大吸收峰位置均按氨水、碳酸钠、碳酸氢钠、亚硫酸钠顺序依次降低。可能是由于泥炭残渣腐植酸与不同萃取剂的阴离子发生配位。当腐植酸与不同萃取剂的阴离子结合后，若阴离子的负电荷越大，则推电子效应越强，导致腐植酸的离域电子增多且共轭体系增大[20]。随着萃取剂Na2CO3、NaHCO3、Na2SO3的阴离子所带负电荷逐渐增多，从泥炭中萃取的腐植酸最大波长处均发生蓝移。而氨水为共价化合物，能与腐植酸发生氨化作用[21]，使腐植酸共轭程度增大，荧光最大吸收峰位置最大。

3 结 论

1)泥炭甲烷发酵前采用氢氧化钠进行预处理，甲烷总产量增长了1.12倍。该过程中腐植酸被微生物消耗利用来促进甲烷发酵进程，导致产率明显降低，但对腐植酸含量影响较小。不同萃取剂萃取对腐植酸时，亚硫酸钠萃取腐植酸产率最高，碳酸钠萃取腐植酸含量最高。

2)甲烷发酵和氢氧化钠预处理甲烷发酵腐植酸的紫外可见光谱、红外光谱、荧光光谱图大致相似，仅峰强弱程度、出峰位置有所区别。氢氧化钠预处理后紫外可见光谱红移、荧光光谱蓝移，红外1 740～1 630、1 560～1 450 cm-1附近氢氧化钠预处理后吸收峰腐植酸较强，3 340、2 925、2 360、2 340、1 040 cm-1处甲烷发酵腐植酸峰强度较高，表明氢氧化钠预处理甲烷发酵消耗更多的羟基、脂肪碳链等结构，而复杂的苯环、羰基等无法被消耗利用。

预防措施：在钻孔施工前应对该位置的地质报告进行详细研读，重点分析地层交接的位置，采用此类经验相对较多的技术人员进行操作，通过以往经验进行有效规避。

3)不同萃取剂萃取对腐植酸结构有影响，碳酸钠萃取腐植酸含有较多的羟基、亚甲基、羰基、苯环、醚键等官能团，亚硫酸钠萃取腐植酸含有较高的三键与累积双键，氨水萃取腐植酸官能团含量均处于较低水平。

当该制造任务为独立制造任务时，to即为其本身，该制造任务不存在子制造任务，可以表示为mtd(to)=mtd。