沈紅池， 吳旭鵬， 蔡慶慶， 張文藝

(常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣提取高附加值產(chǎn)品
——腐植酸的工藝研究

沈紅池， 吳旭鵬， 蔡慶慶， 張文藝

(常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

針對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣產(chǎn)生量大,直接作為肥料，污染嚴(yán)重這一難題，文章以養(yǎng)豬場(chǎng)濕沼渣為原料，以鹽酸、氫氧化鈉、硫酸為助劑從中提取高附加值產(chǎn)品——腐植酸，優(yōu)化了鹽酸用量、活化溫度、活化時(shí)間及氫氧化鈉用量等影響沼渣提取腐植酸的因子。對(duì)于含水率94.19%，質(zhì)量50 g的沼渣，當(dāng)鹽酸用量為50 mL，鹽酸活化時(shí)間為45 min，活化溫度為80℃、氫氧化鈉用量為22 mmol時(shí)，可得純腐植酸產(chǎn)品290 mg。紅外光譜、核磁氫譜顯示提取的腐植酸存在羥基、芳香烯烴等基團(tuán)，掃描電鏡(SEM)顯示其形貌、結(jié)構(gòu)未見(jiàn)明顯差異，有利于該工藝工業(yè)化應(yīng)用。從養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣中提取腐植酸不僅原料易得、工藝操作比較簡(jiǎn)單，而且提取的腐植酸能夠進(jìn)一步提純作為醫(yī)用，產(chǎn)品附加值高，對(duì)于養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣資源化利用意義重大。

沼渣； 腐植酸； 提取； 表征

腐植酸主要是動(dòng)植物的遺骸經(jīng)過(guò)微生物作用所形成的一類天然有機(jī)高分子聚合物，廣泛存在于河泥、水體沉積物、土壤、煤炭中[1-3]。不同來(lái)源的腐植酸在結(jié)構(gòu)和分子量上差異很大。腐植酸表面形態(tài)有孔片狀、棒狀、球狀、伸長(zhǎng)的卵形等[4]，具有生理活性、親水性、吸附性、絡(luò)合性以及膠體特性[5-8]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及醫(yī)用方面[9-15]。制備腐植酸的方法通常有酸抽提劑法[16]、微生物溶解法[17]、堿溶酸析法[10]等。沼渣是生物發(fā)酵所形成的半固態(tài)物質(zhì)，直接堆放會(huì)產(chǎn)生惡臭，污染環(huán)境[18-19]。沼渣中含有機(jī)質(zhì)30%～50%，腐植酸10%～20%[20]，其中只有部分腐植酸以游離形式存在，主要是以難溶性的腐植酸鹽形式存在。因此從沼渣中提取腐植酸在理論上可行，且可實(shí)現(xiàn)其資源化、無(wú)害化。

筆者研究以養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣為原料，以鹽酸、氫氧化鈉、硫酸為助劑提取腐植酸(Humic acid)，利用紅外(IR)、核磁(1HNMR)顯示其結(jié)構(gòu)中存在羥基、芳香烯烴等基團(tuán)，利用掃描電鏡(SEM)顯示其形貌為棒狀、球狀結(jié)構(gòu)?？疾禧}酸投加量、反應(yīng)溫度和時(shí)間、氫氧化鈉濃度對(duì)提取率的影響。該研究對(duì)于沼渣資源化利用有一定參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 原料

研究所用沼渣取自江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物綜合治理中心，發(fā)酵原料為豬糞，pH值為7.2，含水率為94.19%。

1.1.2 試劑

鹽酸(HCl)、氫氧化鈉(NaOH)、硫酸(H2SO4)均為分析純。

1.1.3 試驗(yàn)設(shè)備與分析儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：SHZ-III循環(huán)水式真空泵(南京科爾儀器設(shè)備有限公司)，F(xiàn)A2104電子分析天平(上海良平儀器儀表有限公司)，水浴鍋，烘箱等。

分析儀器：Thermo Nicolet IR200紅外光譜儀(上海峪麗電子科技有限公司)，Bruker核磁共振波譜儀(Bruker公司)，JSM-6360LA掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)。

1.2 提取方法與原理

稱取含水率94.19%左右的沼渣50 g，加入適量0.5 mol·L-1的鹽酸在水浴下加熱一段時(shí)間，期間震蕩數(shù)次。反應(yīng)結(jié)束后取出，過(guò)濾，并用蒸餾水多次清洗沉淀至中性，得到的沉淀為腐植酸固體和不溶于水的雜質(zhì)。隨后取一定量的氫氧化鈉溶液將沉淀溶解于錐形瓶?jī)?nèi)，在60℃恒溫水浴下反應(yīng)30 min，使得腐植酸完全溶解于氫氧化鈉溶液得到腐植酸鈉溶液。過(guò)濾去除不溶的雜質(zhì)，向得到的腐植酸鈉溶液中加入體積濃度為10%的硫酸至溶液pH值為1～2，反應(yīng)一段時(shí)間后產(chǎn)生絮狀沉淀。通過(guò)抽濾得到濾餅，將其烘干碾碎得到的棕色粉末即為目標(biāo)產(chǎn)物腐植酸(見(jiàn)圖1)。提取過(guò)程涉及的主要反應(yīng)方程式如下：

R(COO)4Ca2+4HCl→R(COOH)4↓+2CaCl2

R(COO)4Mg2+4HCl→R(COOH)4↓+2MgCl2

(R(COO)4)3Fe4+12HCl→R(COOH)4↓+4FeCl3

R(COOH)4+4NaOH→R(COONa)4+4H2O

R(COONa)4+2H2SO4→R(COOH)4↓+2Na2SO4

1.3 目標(biāo)產(chǎn)物的分析及檢測(cè)

1.3.1 紅外光譜分析

采用Thermo Nicolet IR200紅外光譜儀，研磨KBr至粉末細(xì)膩后加入微量提取的腐植酸樣品混勻，壓片，對(duì)提取的腐植酸進(jìn)行IR分析。

1.3.2 核磁共振光譜分

圖1 提取的腐植酸樣品

以D2O和NaOH為溶劑，采用Bruker核磁共振波譜儀對(duì)提取的腐植酸進(jìn)行1HNMR檢測(cè)分析。

1.3.3 掃描電鏡

采用JSM-6360LA掃描電子顯微鏡對(duì)產(chǎn)物腐植酸進(jìn)行形貌分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐植酸的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜分析

對(duì)提取的腐植酸產(chǎn)物進(jìn)行紅外表征，圖2為樣品的IR譜。由該圖可看出，在3420 cm-1處出現(xiàn)了—OH和N—H的伸縮振動(dòng)峰，2930 cm-1處出現(xiàn)的是—C—H的伸縮振動(dòng)峰，1640 cm-1有一個(gè)N—H的彎曲振動(dòng)峰，1540 cm-1處為芳香烴C=C骨架振動(dòng)，1200 cm-1處為C—OH，C—O伸縮振動(dòng)峰，在1000 cm-1處有—C—C—的骨架振動(dòng)和伸縮振動(dòng)，870 cm-1處為苯環(huán)上孤立的氫產(chǎn)生的伸縮振動(dòng)峰，這與李麗[21]等從泥炭土中提取的腐植酸紅外特征峰一致。

圖2 提取的腐植酸的紅外光譜

2.1.21HNMR圖譜分析

圖3為腐植酸的1HNMR譜。由圖3可看出，δ 0.75～0.77是腐植酸上甲基中氫的化學(xué)位移，δ 1.0～1.5為脂肪長(zhǎng)鏈上亞甲基、與芳香環(huán)相隔兩個(gè)碳以上亞甲基上氫的化學(xué)位移，δ 1.5～2.0是與烯烴相鄰碳上氫的化學(xué)位移，δ 2.4～2.5是與苯環(huán)相連的亞甲基中氫的化學(xué)位移，δ 3.0～3.5是與氧相連的亞甲基上氫的化學(xué)位移，δ 6.4～7.0出現(xiàn)芳香族上的氫的位移，δ 7.0～7.5是羥基上與氧相連接的氫的化學(xué)位移[22-23]。

圖3 產(chǎn)物腐植酸的1HNMR譜

2.1.3 掃描電鏡分析

圖4為在60℃烘箱中烘干的腐植酸樣品的掃描電鏡形貌。由該圖可見(jiàn)，提取出來(lái)的腐植酸為棒狀、球狀結(jié)構(gòu)[24]。

圖4 烘箱烘干的腐植酸電鏡

圖5 冷凍干燥的腐植酸電鏡

圖5為冷凍干燥的腐植酸樣品的掃描電鏡，由該圖可見(jiàn)，提取出來(lái)的腐植酸為棒狀、球狀結(jié)構(gòu)[24]，這與圖4中結(jié)構(gòu)基本相同。由此可見(jiàn)冷凍干燥與烘箱烘干對(duì)腐植酸的形貌影響不大。

2.2 腐植酸提取影響因素分析

2.2.1 鹽酸用量對(duì)腐植酸產(chǎn)量影響

投加0.5 mol·L-1鹽酸30，40，50，60，70 mL，控制反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min。反應(yīng)結(jié)束向離心后的固體加入11 mmol氫氧化鈉在恒溫60℃下反應(yīng)30 min。所得產(chǎn)率與鹽酸用量的關(guān)系如圖6所示。

圖6 鹽酸用量對(duì)腐植酸產(chǎn)率影響

由圖6可知，當(dāng)鹽酸用量從30 mL增加至40 mL，鹽酸活化程度隨H+濃度的增加而提高，Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e3+逐漸被H+置換出來(lái)生成腐植酸，當(dāng)鹽酸量為50 mL時(shí)，腐植酸產(chǎn)率最高為0.12 g·g-1。繼續(xù)增加鹽酸用量，腐植酸產(chǎn)率基本不變，反應(yīng)完全。鹽酸量為50 mL時(shí)，反應(yīng)基本趨于平衡，所以鹽酸的最佳投加量是50 mL。

圖7 鹽酸活化時(shí)間對(duì)腐植酸產(chǎn)率影響

2.2.2 鹽酸活化時(shí)間對(duì)腐植酸產(chǎn)量影響

加入50 mL 的0.5 mol·L-1的鹽酸在100℃下反應(yīng)，控制鹽酸活化時(shí)間為15，30，45，60，75 min。離心后加11 mmol氫氧化鈉在恒溫60℃下反應(yīng)30 min。所得產(chǎn)率與鹽酸活化時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著鹽酸活化時(shí)間的增加，腐植酸產(chǎn)率逐漸增加。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為15～30 min時(shí)，由于反應(yīng)時(shí)間較短，反應(yīng)不完全，以腐植酸鹽形式存在的腐植酸未能完全游離出來(lái)，影響了最終產(chǎn)率；當(dāng)時(shí)間達(dá)到45 min時(shí)，腐植酸活化基本完全，腐植酸產(chǎn)率增加；45 min時(shí)反應(yīng)達(dá)到完全，產(chǎn)率基本保持不變，所以鹽酸活化的最佳時(shí)間為45 min。

2.2.3 鹽酸活化溫度對(duì)腐植酸產(chǎn)量影響

加入50 mL的0.5 mol·L-1的鹽酸，控制鹽酸活化溫度為40℃，60℃，80℃，100℃，反應(yīng)45 min。離心過(guò)后加入11 mmol氫氧化鈉恒溫水浴60℃下反應(yīng)30 min。所得產(chǎn)率與鹽酸活化溫度的關(guān)系如圖8所示。

圖8 鹽酸活化溫度對(duì)腐植酸產(chǎn)率的影響

由圖8可知，在40℃時(shí)產(chǎn)率比較低，當(dāng)溫度從40℃升高到60℃時(shí)，隨著溫度的升高，產(chǎn)率逐漸增加。當(dāng)溫度到達(dá)60℃并持續(xù)升溫時(shí)，溫度升高使得物質(zhì)分子間運(yùn)動(dòng)加劇，反應(yīng)更加劇烈，沼渣中的腐植酸鈣、腐植酸鎂等物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化為游離腐植酸，腐植酸的產(chǎn)率增加。繼續(xù)升溫，80℃以后腐植酸最終產(chǎn)量變化不大，所以最佳鹽酸活化溫度為80℃。

2.2.4 氫氧化鈉濃度對(duì)腐植酸產(chǎn)量影響

投加50 mL的0.5mol·L-1的鹽酸在恒溫80℃下反應(yīng)45 min。離心后加入氫氧化鈉5.5 mmol，11 mmol，22 mmol，44 mmol，66 mmol，并保持其反應(yīng)時(shí)間為30 min，反應(yīng)溫度為60℃不變。所得產(chǎn)率與氫氧化鈉濃度的關(guān)系如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，隨著氫氧化鈉量的增加，腐植酸的產(chǎn)率也隨之提高。當(dāng)氫氧化鈉為5.5 mmol時(shí)，氫氧化鈉含量較少，OH-無(wú)法與腐植酸完全反應(yīng)；腐植酸濃度由11 mmol提高到22 mmol時(shí)，腐植酸產(chǎn)率上升趨勢(shì)明顯，此過(guò)程中腐植酸與Na+離子結(jié)合生成腐植酸鈉。當(dāng)氫氧化鈉濃度過(guò)低時(shí)，反應(yīng)無(wú)法完全導(dǎo)致腐植酸產(chǎn)率低；當(dāng)氫氧化鈉濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)浪費(fèi)氫氧化鈉，所以氫氧化鈉最佳濃度為22 mmol。

圖9 氫氧化鈉濃度對(duì)腐植酸產(chǎn)率的影響

3 結(jié)論

(1)以鹽酸、氫氧化鈉、硫酸為助劑從養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣中成功提取出了高附加值產(chǎn)品—腐植酸。對(duì)于50 g含水率94.19%的濕沼渣，當(dāng)鹽酸的投加量為50 mL，鹽酸活化溫度80℃，活化時(shí)間45 min，氫氧化鈉量為22 mmol時(shí)，可得純腐植酸290 mg。

(2)紅外(IR)、核磁(1HNMR)圖譜分析表明其結(jié)構(gòu)與土壤中提取的腐植酸結(jié)構(gòu)相似；掃描電鏡(SEM)圖譜顯示其形貌為棒狀、球狀結(jié)構(gòu)，并且60℃下烘干與冷凍干燥對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)未見(jiàn)明顯差異，這有利于本工藝工業(yè)化應(yīng)用。

(3)從養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣中提取腐植酸，原料易得、工藝操作比較簡(jiǎn)單，提取的腐植酸能夠進(jìn)一步提純作為醫(yī)用，附加值高，對(duì)于養(yǎng)豬場(chǎng)沼渣資源化利用意義重大。

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The Technique of Extracting Humic Acid from Pig Manure Biogas Fermentation Residue /

SHEN Hong-chi， WU Xu-peng， CAI Qing-qing， ZHANG Wen-yi /

(School of Environmental & Safety Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

The amount of biogas residue in the pig farm is large, and direct using as fertilizer will cause pollution problems. In this paper, the humic acid, a high valued product, was extracted from the pig farm biogas fermentation residue adopting hydrochloric acid, sodium hydroxide and sulfuric acid as accessory ingredient. The influence factors as dosage of hydrochloric acid, activation temperature and time, and concentration of sodium hydroxide, were optimized. Under dosage of hydrochloric acid 50 mL, activation time of 45 min, activation temperature of 80℃, and the sodium hydroxide concentration of 22 mmol, 290 mg of pure humic acid product were obtained from 50 g of biogas residue with 94.19% of moisture content. The spectra of IR and HNMR showed the presence of hydroxyl, aromatic olefin in the extracted humic acid. Scanning of electron microscopy (SEM) showed that its morphology and structures did not have obvious difference.

biogas residue; humic acid; extract; characterization

2016-01-04

2016-02-14

項(xiàng)目來(lái)源： 江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BY2015027-03); 常州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CE20155061)

沈紅池(1992- )，女，漢族，在讀碩士，研究方向?yàn)樗幚?，E-mail:1543598063@qq.com 通信作者： 張文藝，E-mail:zhangwenyi@sina.com

S216.4

A

1000-1166(2017)01-0067-05