废弃生物质水热腐殖化产物与介质酸碱性响应关系

王 文 祥,张 雷,李 爱 民

(大连理工大学 环境学院， 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

腐殖酸(humic acid，HA)主要来源于动植物残骸，是经过微生物的分解和转化，以及地球化学的一系列过程造成和积累起来的一类有机物质[1]，是一类含有苯环、稠苯环和各种杂环，各苯环之间有桥键相连，苯环上有羧基、酚羟基、甲氧基、酮基等多种官能团结构的高分子有机酸类物质[2-3]．腐殖酸作为土壤环境中最主要的有机成分，其碳元素含量决定了土壤环境中的碳储存量．另外，腐殖酸具有的丰富的官能团结构决定其有较好的重金属络合[4]、有机污染物吸附[5]、电子传递[6]、营养元素转化[7]等能力，可应用于土壤治理、腐殖酸肥料生产、化工以及医疗等诸多领域，是一种重要的有机高值化学品[8-9]．目前腐殖酸的大规模生产主要通过从褐煤、泥炭中提取以及用堆肥的方式从农林废弃物、污泥、禽畜粪便等有机质中制备获得[10-13]．前者消耗不可再生资源，后者则受限于生产效率低下和腐殖酸性质不稳定等因素，因此急需探寻绿色可持续、高效的腐殖酸生产新方法．

生物质主要是农林植物以及微生物的残体，内含丰富的有机质，研究资料表明，生物质的水热碳化可以看作土壤环境中腐殖酸形成的人为加速过程[14-15]．水热碳化是一种以水为反应介质在高温下(180～250 ℃)通过自产压力或外加压力的方式促进固相产物转化的工艺，通常用于生物质类物质的资源化利用．目前关于水热碳化制备腐殖酸的研究较少，虽然已有国内外相关学者尝试使用生物质[16-17]、污泥[18]、造纸废液[19]、酒糟[20-21]等原料通过水热碳化制备腐殖酸，但还处在起步阶段，缺乏清晰的生成路径理论认知．且近几年关于水热碳化制备腐殖酸的相关研究中，研究者往往只研究单一介质酸碱性条件下腐殖酸性质，缺乏对介质酸碱性影响的综合性考察，然而在水热碳化领域，反应介质酸碱性对水热反应过程具有较大的影响，为此本文系统考察木质纤维素杨木屑在酸性、中性、碱性条件下水热碳化制备腐殖酸的规律，探究最适合大规模生产腐殖酸的条件，并结合多种分析表征手段对水热反应合成腐殖酸过程的一系列水解、解聚、脱水、缩合等反应进行解析，推断水热碳化过程中腐殖酸在3种酸碱条件下的生成路径，以期为生物质水热碳化制备腐殖酸的品质调控提供依据．

1 材料与方法

1.1 原 料

实验所用杨木屑来自大连市甘井子区某木材加工厂，褐煤产自山西大同；氢氧化钠、氯化钡、焦磷酸钠购自天津市大茂化学试剂厂，98%浓硫酸、浓盐酸购自天津市科密欧化学试剂有限公司．所有试剂均为分析纯．

1.2 水热反应装置

水热实验采用自制四通道高温高压水热反应装置，如图1所示：装置包括4个75 mL水热反应釜(内径30 mm)，反应釜均配有加热槽、热电偶、温度控制仪以及磁力搅拌控制仪，并搭配PID自整定调节功能．主要性能指标包括最大工作压力6.0 MPa，最大工作温度250 ℃，搅拌速率0～1 500 r/min．

图1 四通道高温高压水热反应装置Fig.1 Four-channel high-temperature and high-pressure hydrothermal reaction device

1.3 水热反应实验设计

水热反应在自制四通道高温高压水热反应装置中进行，原料杨木屑与反应溶剂一同加入反应釜，分别在碱性、中性和酸性条件下进行水热碳化反应．为使酸性条件和碱性条件的酸碱强度保持对应，碱性条件下溶剂选用0.5 mol/L KOH溶液，酸性条件下溶剂选用0.25 mol/L H2SO4溶液．在200 ℃下反应4 h，反应结束后在冰水中冷却至室温，然后进行腐殖酸的分离提取．

1.4 腐殖酸提取过程

人工腐殖酸的化学性质与天然腐殖酸类似，只溶于碱性溶液，参照《腐殖酸铵肥料分析方法》(HG/T 3276—2019)提取水热反应之后的人工腐殖酸．此外，腐殖酸的提取由于水热反应中溶剂体系的差异而有所不同．

在碱性条件下得到的产物，腐殖酸以溶液的形式存在于液相中，在6 000 r/min下离心10 min，将溶液倾出收集．向溶液加入2.0 mol/L HCl溶液直至pH小于1.0．此时腐殖酸自溶液中析出并沉淀，在6 000 r/min下离心分离，液体倾出，收集腐殖酸，在冷冻干燥机中真空干燥24 h．

在中性条件下和酸性条件下得到的产物，腐殖酸存在于固相中，需要先在6 000 r/min下离心10 min，将溶液倾出，向固体中加入0.5 mol/L KOH溶液，置于沸水浴中加热抽提2 h．提取完成后，在6 000 r/min下离心分离，倾出并收集溶液，加入2.0 mol/L HCl溶液直至pH小于1.0．在6 000 r/min下离心分离，将液体倾出，固体置于冷冻干燥机中干燥24 h．

为评价人工腐殖酸的性质，将其与褐煤中提取的天然腐殖酸进行对比，天然腐殖酸的提取过程同样参照《腐殖酸铵肥料分析方法》(HG/T 3276—2019)，用焦磷酸钠碱液(15 g/L Na4P2O7、7.0 g/L NaOH)提取，盐酸溶液(2.0 mol/L HCl)沉淀得到天然腐殖酸固体产物．

1.5 碱溶氯化钡沉淀电位滴定法

碱溶氯化钡沉淀电位滴定法用于测定腐殖酸与煤炭源腐殖酸的总酸性官能团，主要是测定其分子中的酚羟基和羧基[22]．所用标准溶液包括0.1 mol/L NaOH溶液、0.1 mol/L BaCl2溶液和0.1 mol/L HCl溶液．具体方法如下：准确称取腐殖酸样品20 mg于50 mL离心管中，加入10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液溶解，随后加入25 mL 0.1 mol/L BaCl2溶液，振荡数分钟后离心分离，移取上层清液25 mL，用0.1 mol/L HCl溶液进行电位滴定，滴定终点为pH 8.4．同时做空白实验．

总酸性基团计算公式：

(1)

式中：V2为空白滴定用酸体积，mL；V1为样品滴定用酸体积，mL；c(HCl)为盐酸标准液浓度，mol/L；m为样品质量，g．

1.6 分析表征仪器

本文采用的分析表征仪器有Sartorius PB-10酸度计、Centurion Scientific K3离心机、Biocool Lab-1D-80冷冻干燥机、Vario EL元素分析仪、ThermoFisher 6700红外光谱仪、Mettler Toledo ET18快速滴定仪、Hitachi F7000荧光光谱仪、Hitachi S4800扫描电镜．

2 结果与讨论

2.1 不同酸碱性溶剂体系下腐殖酸产量

图2列出了在H2O、0.5 mol/L KOH以及0.25 mol/L H2SO4溶液中水热反应的固体产物产率Y，包括腐殖酸和腐殖酸提取残余的水热炭(HTC)．从图中可以看出，H2O-HA(中性条件下生成的腐殖酸)和KOH-HA(碱性条件下生成的腐殖酸)的产率较高，分别为9.58%和9.73%．相比之下，H2SO4-HA(酸性条件下生成的腐殖酸)产率仅为2.40%．结果表明酸性条件不利于腐殖酸的生成，木质纤维素原料更多地转化为了可溶的小分子有机物和碱性不溶的腐黑物．另一方面，总固体产率可反映木质纤维素在水热碳化过程中的解聚程度．结果显示，酸性和碱性条件下，总固体转化率分别为38.43%和34.23%，低于中性条件下的总固体转化率69.78%，表明H+和OH-均对木质纤维素分子的解聚有促进作用．不同的是，碱性条件下更利于解聚生成的木质素衍生小分子的生成及其脱水腐殖化．与常规的堆肥腐殖化对比，在添加MnO2的玉米秸秆堆肥腐殖化过程中，经过20 d 的好氧堆肥，最终的腐殖酸产率最高仅为2.00%[23]．由此可见，水热碳化制备腐殖酸，特别是碱性条件下在实现大规模生产方面具有更大的优势．

图2 不同酸碱性条件下水热炭(HTC)和 腐殖酸(HA)产率

2.2 腐殖酸分析表征

图3 腐殖酸紫外-可见光全扫描Fig.3 Full UV-Vis scanning of humic acid

将4种腐殖酸用0.5 mol/L NaOH溶液溶解配制成0.2 g/L的溶液后进行3D EEM分析，其中发射波长Em的范围为300～650 nm，激发波长Ex的范围为250～450 nm，扫描速度设置为1 200 nm/min，发射光与激发光的狭缝宽度均设置为10 nm，扫描步长设置为10 nm，结果如图4所示．根据相关文献资料，3D EEM光谱图可以大致分为4个区域[24]，如表1所示，4种腐殖酸荧光强度中心位置均出现在Em=450～550 nm，Ex=320～400 nm，表明4种腐殖酸具有相似的荧光特性．然而，H2SO4-HA和KOH-HA荧光强度要显著高于褐煤-HA和H2O-HA，说明H2SO4-HA和KOH-HA中腐殖酸类物质占比更大，有效成分含量更高．而褐煤-HA荧光强度较低，推测是由于在褐煤的长期形成过程中腐殖酸物质与土壤环境中的矿物结合生成了不具有荧光性的腐殖酸盐．

(a) 褐煤-HA

(b) H2O-HA

(c) H2SO4-HA

(d) KOH-HA

表1 3D EEM响应区间以及对应物质特性Tab.1 3D EEM response interval and their associated characteristics

2.2.2 组成成分分析 腐殖酸作为土壤环境中最主要的有机成分，其碳元素含量决定了土壤环境中的碳储存量．表2为杨木屑和4种腐殖酸的组成成分．结果表明，水热碳化过程是聚碳过程．其中酸性和碱性条件下，碳质量分数从原料中的48.24%分别增加至62.33%和61.09%，氧质量分数从43.32%分别减少至30.28%和30.85%．根据各个腐殖酸的a(H)/a(C)和a(O)/a(C)绘制范氏图，并与典型物料的值作对比，具体结果如图5所示．从图中可以看出，水热碳化过程中a(H)/a(C)和a(O)/a(C)均呈下降趋势，反应主要遵循脱水路线，且酸性和碱性条件下的脱水反应更为强烈，a(H)/a(C)和a(O)/a(C)分别从原料中的1.58和0.67下降至0.97、0.36以及1.10、0.38．相比之下，中性条件下，a(H)/a(C)和a(O)/a(C)只减少到了1.27和0.55．表明H2SO4-HA和KOH-HA是由小分子有机物通过强烈的脱水缩合反应生成的产物，而H2O-HA是未解聚完全的木质纤维素大分子物质、纤维素以及木质素碎片．H2SO4-HA和KOH-HA与褐煤-HA(煤炭源天然腐殖酸)在组成成分上十分接近．

2.2.3 化学结构分析表征 人工腐殖酸和褐煤-HA FT-IR谱图如图6所示．在3 200～3 600 cm-1的吸收峰是O—H的伸缩振动峰，代表腐殖酸分子中普遍存在的羟基和酚羟基．在2 800～3 000 cm-1的吸收峰是支链烷基—CH2和—CH3中C—H的伸缩振动峰，本研究中制备的腐殖酸在此区间的吸收强度明显高于褐煤-HA，可能归因于褐煤经过了数百年的稳定，分子中大量成环，不饱和度增加，支链减少．

表2 杨木屑和4种腐殖酸组成成分Tab.2 Composition of sawdust and 4 kinds of humic acid

图5 生物质原料、腐殖酸以及典型物料范氏图Fig.5 van Krevelen diagram of the biomass raw materials, humic acid and referring materials

图6 人工腐殖酸和褐煤-HA FT-IR谱图Fig.6 FT-IR spectra of artificial humic acid and lignite-HA

总酸性基团是决定腐殖酸应用中化学吸附性能和重金属结合能力的关键结构，其主要为腐殖酸分子中的酚羟基和羧基这两个活性官能团．图7为用碱溶氯化钡沉淀电位滴定法测定的不同腐殖酸样品中总酸性基团浓度．结果表明，H2O-HA中总酸性基团浓度最低，仅为0.841 mmol/g，与红外光谱的检测结果相一致．另外，3种腐殖酸中，KOH-HA总酸性基团浓度最高，为3.381 mmol/g．由此可见，KOH-HA具有更优异的化学和生物活性，可用于土壤和水体中重金属以及有机污染物的吸附去除．同时，考虑到KOH-HA的产率最高，更适合大规模生产和应用．

图7 人工腐殖酸和褐煤-HA总酸性基团浓度Fig.7 Total acid groups concentration of artificial humic acid and lignite-HA

2.2.4 水热炭表面形貌观察结果 为揭示水热碳化中生物质物质表面形貌的变化规律，对杨木屑原料以及中性、酸性和碱性条件下生成的水热炭进行SEM分析，结果如图8所示，中性条件水热碳化过程中物质表面形貌并未发生较大改变，木屑原料被破碎成块状的小碎片，在木质纤维素的结构中，纤维素是规则的骨架结构，半纤维素往往是半无定形的粉末状，木质素则充当黏结剂的部分，通过分子间氢键将其连接在一起．因此，中性条件下是3种主要成分分子间氢键的断裂以及后续半纤维素的水解，而作为骨架的纤维素以及水溶性较差的木质素没有更多的转化．对比来看，碱性条件下的水热炭呈现出层状的交联结构，表面光滑，表明该水热碳化过程中主要是半纤维素的水解和木质素的抽离，由于碱性条件下木质素溶解度增加使其发生更多的迁移转化，残留的固体主要是纤维素骨架成分及其衍生物．酸性条件下表面形貌的改变则较为剧烈，更加的粗糙不平，且有部分大块的团聚物生成，表明水热过程中半纤维素、纤维素和木质素均发生了剧烈的解聚反应，残留的固体在碎片化之后重新聚合，其表面形貌与原料相差最大．

2.3 木质纤维素水热碳化中腐殖酸生成路径探究

木质素学说以及基于木质素的多酚学说是众多腐殖酸形成学说中的重要部分，目前已有的研究表明，木质纤维素水热碳化过程中腐殖酸便是由木质素解聚转化产生的小分子碎片与半纤维素、纤维素水解及后续脱水转化产物之间通过多种缩合反应联结在一起生成的[15，17]，但在不同溶剂酸碱性条件下的生成途径仍然不清楚．本研究在产率定量、产物表征及其与反应条件响应关系的实验数据基础上，推断了类腐殖酸在3种酸碱条件下的生成路径，如图9所示．

(a) 杨木屑

(b) H2O-水热炭

(c) KOH-水热炭

(d) H2SO4-水热炭

在中性条件下，H2O-HA中C含量较低，H含量和O含量较高，分子结构分析显示其主要为芳香族化合物，且有大量的醚键结构(β-O-4)以及羟基结构．因此，H2O-HA的生成多为未经过脱水反应的原始木质素小分子碎片以及少量小分子碎片与糖类以及糠醛类有机物经过脱水缩合反应得到的腐殖酸，导致在腐殖酸区域的荧光强度较弱．在酸性条件下，尽管糖类以及糠醛类小分子产物增多且脱水反应得以增强，然而木质素溶解度较低，减少了低聚木质素碎片的生成，因此腐殖酸生成量较少．此外，还有相关文献资料表明，酸性条件下纤维素解聚产物单糖和5-HMF经过缩合反应会生成假木质素，假木质素化学性质与木质素类似，随着水热反应的进行会不断地聚集成团生成与腐殖酸性质类似的物质[19，25]．然而，较低的腐殖酸产率说明该过程是十分缓慢的．在碱性条件下，由于木质素的溶解度增加，木质素小分子碎片生成量更多且聚合度更低．范氏图显示KOH-HA生成过程中发生较强的脱水反应，且化学结构分析显示KOH-HA中木质素的典型结构β-O-4成分较少，表明KOH-HA的生成主要是木质素碎片发生了剧烈脱水缩合反应，腐殖酸区的荧光强度较高．因此，自腐殖酸的生成过程来看，碱性无疑是最适合腐殖酸制备的条件．

(a) 中性

(b) 酸性

(c) 碱性

3 结 语

本文的相关研究结果表明水热碳化反应介质的酸碱特性对腐殖酸的产量和品质具有显著影响．相比于酸性条件和中性条件，在0.5 mol/L KOH的碱性条件下腐殖酸产率最高，可达9.73%．元素分析、FT-IR、3D EEM以及SEM等结果表明，碱性条件增强了低聚木质素碎片的生成及其后续的脱水缩合反应，腐殖酸产物具有碳含量高(61.09%)、酸性官能团含量高(3.38 mmol/g)、有效成分含量高等优势，并提出了不同酸碱介质条件下腐殖酸的潜在生成路径．相关研究发现为实现生物质水热碳化定向腐殖酸化生产提供了一定的理论依据和应用基础．