劉云穎 趙文淵 成建國 馬力通,2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，014010 內(nèi)蒙古包頭；2.生物煤化工綜合利用內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，014010 內(nèi)蒙古包頭)

0 引 言

褐煤有機質(zhì)的主要組成部分是腐植酸，占褐煤有機質(zhì)總量的10%～80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)[1]。腐植酸不是單一的有機化合物，而是一系列組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)上存在差異的混合物，以胡敏酸(humic acid)和富里酸(fulvic acid)為主[2-3]。胡敏酸和富里酸在工業(yè)、農(nóng)林牧和醫(yī)藥中均有廣泛的用途，但因富里酸具有獨特的藥理作用，在生態(tài)農(nóng)業(yè)和膳食補充等方面更有利用價值。胡敏酸(記為HA)是一種只溶于堿而不溶于水和酸溶液的腐植物質(zhì)，其分子量比富里酸大，呈微酸性。胡敏酸的一價鹽類溶于水，二價及以上鹽類則不溶于水。富里酸(記為FA)及其鹽類的溶解性較好，可溶于水、堿溶液或酸溶液中，其分子量比胡敏酸小，呈強酸性。

腐植酸的提取主要是利用其溶解性差異，通過酸、堿或有機溶劑為提取劑，分離和純化腐植酸[4-6]。酸法、堿法或有機溶劑直接提取腐植酸可能會面臨提取率低、腐植酸含量不高、資源浪費、破壞環(huán)境等難題。學(xué)者們在原料、溶劑和提取工藝等方面[7-8]進(jìn)行改進(jìn)和研究，以期提高腐植酸的含量和產(chǎn)率，達(dá)到工業(yè)應(yīng)用價值。超微粉碎技術(shù)是一種物料加工新技術(shù)，一般可將超微粉體直接作為最終產(chǎn)品。該技術(shù)利用機械或流體動力的方法克服固體內(nèi)部凝聚力，將0.5 mm～5.0 mm的物料粉碎成直徑小于10 μm，甚至1 μm的超細(xì)粉體[9-10]，超微粉碎物料的比表面積和孔隙率提高，有效成分釋放的幾率增大[11]，該技術(shù)已廣泛用于飼料、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域，但在礦煤粉碎并以超微粉體為原料提取有效成分的研究中鮮見報道。

本研究通過球磨粉碎和超微粉碎技術(shù)，改變褐煤的粒度，利用堿法制備胡敏酸和富里酸，通過容量法和UV-vis分光光度法分析胡敏酸和富里酸的組成和結(jié)構(gòu)特征，為胡敏酸和富里酸的分離制備提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗部分

1.1 原料

褐煤選自內(nèi)蒙古東部白音華3號礦，空氣干燥后，經(jīng)過QM-3SP2型球磨機(南京南大儀器廠)粉碎過篩，依次得到粒度為425 μm，250 μm，150 μm，100 μm，80 μm和60 μm的褐煤粉末。

采用WZJ-6BT型超微粉碎機(濟南倍力粉體有限公司)對褐煤進(jìn)行超微粉碎，LS230型激光粒度儀(美國貝克曼庫爾特有限公司)檢測超微褐煤的平均粒度為13.28 μm。粒度分布見圖1。

圖1 超微褐煤的粒度分布Fig.1 Particle diameter distribution of ultra-fine lignite

1.2 實驗方法

1.2.1 堿法制備胡敏酸和富里酸

稱取不同粒度的褐煤粉末各50 g，分別加入150 mL 5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaOH溶液，攪拌均勻，敞口放置24 h，堿液與褐煤粉末充分浸潤并發(fā)生成鹽反應(yīng)，得到堿性的褐煤煤漿。褐煤煤漿中加入80 ℃熱水1 000 mL，調(diào)節(jié)pH值為12，磁力攪拌30 min，冷卻至室溫，離心并收集提取液，煤渣重復(fù)加水提取，提取液澄清為止，合并所有提取液，即為總腐植酸的提取液。

用1 mol/L H2SO4溶液調(diào)節(jié)總腐植酸提取液，使pH值為11，離心棄去黑腐酸沉淀。腐植酸溶液繼續(xù)調(diào)節(jié)pH值為7時，冷卻至室溫，離心，析出的沉降物即為胡敏酸；腐植酸溶液繼續(xù)調(diào)節(jié)pH值為3時，冷卻至室溫，離心，析出的沉降物即為富里酸。

1.2.2 容量法測定腐植酸的含量

分別稱取0.2 g±0.001 g褐煤、胡敏酸和富里酸，100 mL 1%NaOH溶液為提取劑，沸水浴加熱2 h，采用GB/T 212-2001容量法測定游離腐植酸含量，褐煤和胡敏酸的含碳比為0.59，褐煤和富里酸的含碳比為0.50，并由公式(1)計算胡敏酸或富里酸的提取率。

(1)

1.2.3 紫外分光光度法測定E4/E6值

E4/E6為波長465 nm和波長665 nm的吸光度之比，是腐植酸的特征性參數(shù)之一。E4/E6值越低，腐植酸的芳香縮合度越高、分子量越大或共軛羰基(醌基)含量越高[12]。稱取0.02 g±0.001 g的胡敏酸或富里酸，溶于0.05 mol/L NaHCO3溶液中，充分?jǐn)嚢瑁蛊淙芙?，并?%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaOH或0.1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH值為8，定容至100 mL。以0.05 mol/L NaHCO3溶液為參比，用L6S型紫外分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)測定波長分別為465 nm和665 nm的吸光度，計算E4/E6值。

1.2.4 DPPH法測定抗氧化活性

DPPH(1，1-二苯基-2-三硝基苯肼)的乙醇溶液呈紫色，在波長為519 nm處有最大吸收峰，加入抗氧化劑后，DPPH自由基捕捉一個電子與自身N上的游離電子配對，紫色褪去，在波長為519 nm處的吸收峰減弱。根據(jù)此原理用分光光度計檢測DPPH自由基與抗氧化劑溶液反應(yīng)后的吸光值變化，檢測樣品清除自由基的抗氧化能力[13-14]?？寡趸芰τ们宄蕘肀硎荆宄试酱螅寡趸栽綇?。

移取2 mL 0.033 mg/mL DPPH溶液與2 mL無水乙醇于試管中混合均勻，避光保存0.5 h，在波長為519 nm處測定吸光值記為α0。再移取2 mL 0.033 mg/mL DPPH溶液，加入2 mL 1 mg/mL的腐植酸乙醇溶液，混合均勻，避光保存0.5 h，在波長為519 nm處測定吸光值記為α1，由公式(2)計算腐植酸的抗氧化能力。

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 褐煤粒度對游離腐植酸含量的影響

圖2所示為不同粒度下游離腐植酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系。由圖2a可知，褐煤粒度減小，褐煤中游離腐植酸含量增加。褐煤粒度由425 μm減小到80 μm時，褐煤中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長緩慢；褐煤粒度減小為60 μm時，游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長至10.0%。當(dāng)褐煤粒度再減小為13.28 μm時，超微粉碎褐煤中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)20.7%。說明粉碎研磨提供的機械作用力，破壞了褐煤原料內(nèi)部的凝聚力，增大了腐植酸被釋放的幾率。褐煤顆粒越小，褐煤中游離腐植酸的含量越高。

圖2 不同粒度下游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Mass fraction of free humic acid with different particle diametersa—Lignite；b—HA；c—FA

由圖2b可知，不同粒度褐煤制備胡敏酸中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為10%～30%；與圖2a中同一粒度褐煤游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，胡敏酸中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度增加。粒度分別為100 μm和80 μm褐煤制備的胡敏酸中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加程度偏小，其他粒度褐煤制備的胡敏酸中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了20%左右。當(dāng)超微粉碎褐煤的粒度為13.28 μm時，胡敏酸中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)25.4%。

由圖2c可知，不同粒度褐煤制備富里酸中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為40%～50%；與圖2a中同一粒度褐煤腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，富里酸中游離腐植酸含量增加較為明顯。當(dāng)超微粉碎褐煤的粒度為13.28 μm時，富里酸中游離腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.4%。

2.2 粒度對腐植酸提取率的影響

對不同粒度褐煤制備的胡敏酸和富里酸進(jìn)行稱量，記錄其質(zhì)量，根據(jù)公式(1)計算胡敏酸和富里酸的提取率。隨褐煤粒度變化，胡敏酸和富里酸提取率的分布關(guān)系見圖3。

由圖3可知，褐煤粒度在150 μm，250 μm和425 μm時，胡敏酸和富里酸的提取率均低于30%；褐煤粒度為150 μm，胡敏酸的提取率最高為29.98%，胡敏酸的提取率高于富里酸的提取率。褐煤粒度在100 μm以下時，富里酸的提取率均高于胡敏酸的提取率，富里酸的提取率均高于30%，胡敏酸的提取率均低于30%。

圖3 不同粒度下胡敏酸和富里酸的提取率Fig.3 Extraction rate of humic acid and fulvic acid with different particle diameters

由圖3還可知，褐煤粒度為13.28 μm時，總腐植酸提取率為86.34%，富里酸的提取率為62.28%；褐煤粒度為100 μm時，總腐植酸提取率為86.99%，富里酸的提取率為68.20%；褐煤粒度為80 μm時，總腐植酸提取率為62.04%，富里酸提取率為53.71%，胡敏酸提取率最低；褐煤粒度在60 μm，150 μm和250 μm時，褐煤的總腐植酸提取率在40%～50%；褐煤粒度為425 μm時，胡敏酸和富里酸的提取率非常接近且總提取率最低。

腐植酸提取率隨粒度的變化關(guān)系表明，褐煤粒度越大，總腐植酸提取率越低；褐煤粒度越小，富里酸的提取率越高?？赡茉蚴?，煤質(zhì)硬、粒度大、溶劑與煤的浸潤和成鹽反應(yīng)不夠充分，導(dǎo)致提取率偏低。粒度小，褐煤蓬松，顆粒內(nèi)部凝聚力降低，比表面積和孔隙度增大，溶劑與煤的浸潤和成鹽反應(yīng)比較充分，富里酸釋放幾率增大，導(dǎo)致提取率增加。

2.3 粒度對腐植酸E4/E6值的影響

采用分光光度法測定不同粒度下胡敏酸和富里酸的E4/E6值，結(jié)果見圖4。

圖4 不同粒度下胡敏酸和富里酸的E4/E6值Fig.4 E4/E6 of humic acid and fulvic acid with different particle diameters

由圖4可知，粒度在425 μm～100 μm范圍內(nèi)，富里酸的E4/E6值高于胡敏酸的E4/E6值，因此，富里酸的分子量和芳香縮合度比胡敏酸的分子量和芳香縮合度低。粒度在80 μm～13.8 μm范圍內(nèi)，富里酸的E4/E6值低于胡敏酸的E4/E6值，富里酸的分子量和芳香縮合度高于胡敏酸的分子量和芳香縮合度。

隨著粒度減小，胡敏酸E4/E6值的變化呈增大趨勢，說明胡敏酸分子量變小且芳香縮合度降低。當(dāng)粒度為13.28 μm時，胡敏酸的E4/E6值與富里酸的E4/E6值非常接近，說明超微粉碎褐煤制備的胡敏酸分子量和芳香縮合度最小，分子結(jié)構(gòu)與富里酸相似。

褐煤粒度越小，粉碎研磨的機械作用力對腐植酸連接鍵的破壞程度加大，使得胡敏酸的分子大小向富里酸分子靠近。褐煤粒度減小，胡敏酸和富里酸的沉降析出速度變慢，在一定的時間內(nèi)，胡敏酸析出不完全。在富里酸繼續(xù)沉降析出的過程中，胡敏酸也在沉降析出，使得富里酸和胡敏酸的析出界限模糊，導(dǎo)致富里酸的E4/E6值降低。

2.4 粒度對腐植酸抗氧化活性的影響

不同粒度褐煤制備的富里酸和胡敏酸進(jìn)行DPPH的抗氧化活性實驗，結(jié)果見圖5。

圖5 不同粒度下胡敏酸和富里酸的DPPH清除率Fig.5 DPPH scavenging rate of humic acid and fulvic acid with different particle diameters

由圖5可知，不同粒度下，富里酸的DPPH自由基清除率為10%～50%，說明富里酸有一定程度的抗氧化活性。粒度為100 μm，150 μm，250 μm和425 μm時的富里酸，DPPH自由基清除率達(dá)到40%～50%，原因可能是，富里酸含氧官能團的自由基與DPPH自由基相結(jié)合，富里酸的含氧官能團越多，DPPH自由基清除率越高，抗氧化活性越好。粒度為60 μm和80 μm時，富里酸的DPPH自由基清除率偏低，抗氧化活性弱，說明褐煤粒度變小，球磨粉碎研磨的機械作用力破壞了富里酸的含氧官能團。粒度為13.28 μm的超微粉碎褐煤，富里酸的DPPH自由基清除率達(dá)到了41.3%，說明超微粉碎對富里酸含氧官能團的數(shù)量影響較小。

不同粒度下，胡敏酸的DPPH自由基清除率為負(fù)值，不能真實反映胡敏酸的抗氧化活性程度。由于胡敏酸的DPPH抗氧化活性測定的研究基礎(chǔ)薄弱，實驗采用活性成分的DPPH抗氧化活性檢測方法。DPPH自由基清除率的測定選用乙醇溶解樣品，但胡敏酸中可溶解于乙醇的組分較少，因此，可溶的胡敏酸與DPPH自由基的結(jié)合概率較小，胡敏酸多以干擾成分存在，導(dǎo)致吸光度出現(xiàn)負(fù)值，因此，DPPH的自由基清除率也為負(fù)值。

3 結(jié) 論

1) 粉碎研磨的褐煤粒度為425 μm，250 μm和150 μm時，胡敏酸和富里酸的總提取率不高，但富里酸的抗氧化活性較高；粉碎研磨的褐煤粒度為80 μm和60 μm時，胡敏酸和富里酸的總提取率增加，但富里酸的抗氧化活性明顯減弱。

2) 粉碎研磨的褐煤粒度為100 μm時，胡敏酸和富里酸的總提取率為86.99%，且富里酸的提取率達(dá)到了68.20%，DPPH自由基清除率為49.8%，但富里酸和胡敏酸的分子量和聚合度的差異較為明顯。

3) 超微粉碎的褐煤粒度為13.28 μm時，富里酸和胡敏酸的分子量和聚合度最為相似，胡敏酸和富里酸的總提取率為86.34%，富里酸的提取率可達(dá)到62.28%，游離腐植酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.4%。富里酸的DPPH自由基清除率為41.3%，抗氧化活性明顯，說明超微粉碎對富里酸的含氧官能團影響較小。