活化条件对木本泥炭中腐植酸提取效果的影响

潘　慧　傅　欣　赵世军　李健鹏　谭　钧*

(香港中向国际有限公司　北京　100004)

摘　要：以木本泥炭为原料，研究了活化剂用量、水量、反应温度、反应时间对腐植酸提取效果的影响。结果表明，在一定范围内随着活化剂用量的增大，水量的增大、反应温度的升高、反应时间的延长，提取率也随之上升；其中活化剂用量和水的用量对提取效果影响相对较大。实验结果显示，优化的条件为煤∶活化剂=1∶0.16，煤∶水=1∶8。

关键词：木本泥炭　腐植酸　活化　提取率

The Effect of Activation Conditions to the Abstraction of Humic Acid inWoody Peat

Pan Hui,Fu Xin,Zhao Shijun,Li Jianpeng,Tan Jun*

(View Sino International Ltd.,Beijing,100004)

Abstract: It is studied that the activation conditions,which are activator dosage,water dosage,reaction temperature and time,on the effects of humic acid extraction in woody peat.The result showed that the extraction rate would rise by increasing the activator dosage,water dosage,reaction temperature and time within a certain range;In these conditions,the effects of activator dosage and water dosage were bigger than others.The experiment result showed that the better activation condition was that the ratio of coal to activator was 1:0.16,and the ratio of coal to water was 1:8.

Key words: woody peat;humic acid;activation;extraction rate

腐植酸是动植物遗骸经过微生物的分解和转化，以及地球化学的一系列过程形成和积累起来的一类大分子天然有机酸的总称，分子链中含有大量的活性基团，广泛存在于土壤、湖泊、河流、海洋以及泥炭、褐煤、风化煤之中。目前，商品化的开发利用主要是指煤炭腐植酸，其主要原料就是泥炭、褐煤和风化煤[1]。

泥炭是沼泽中死亡植物残体转化积累形成的有机矿产资源。泥炭的有机质和纤维含量丰富，腐植酸含量高，吸咐、螯合能力强，离子交换能力和盐分平衡控制能力大。泥炭腐植酸的自由基属于半醌结构，既能氧化为醌，又能还原为酚，在植物体的氧化还原中起着重要作用，具有较高的生物活性、生理刺激作用和较强的抗旱、抗病、抗低温、抗盐渍的作用[2，3]。

[收稿日期]2015-09-21

[作者简介]潘慧，男，1984年生，化学硕士，主要从事新型肥料研发、肥料应用技术研究。*通讯作者：谭钧，男，总经理，高级工程师，E-mail：tanjun1968@126.com。

目前，腐植酸的研究与开发利用所采用的泥炭原料主要是草本泥炭[4]，以木本泥炭为原料的研究与应用鲜有报道。本实验采用的原料属高分解、低灰分、高腐植酸的木本泥炭(残体组成主要为木本残体)，而且木质-纤维物质在氧化剂(硝酸、臭氧、空气氧、高锰酸钾、过氧化氢、过硫酸盐等)作用下可生成“再生腐植酸”[5]。基于木本泥炭所特有的理化性质和化学深加工性能，其在农业领域将会有非常广泛的应用前景。主要研究以木本泥炭为原料提取、生产腐植酸盐产品过程中，不同的活化剂用量、反应温度、反应时间以及水量对木本泥炭中腐植酸提取效果的影响，以期为木本泥炭提取、生产腐植酸盐提供一种最佳的反应条件。

1　材料与方法

1.1　供试材料

木本泥炭选用产自印度尼西亚露天木本泥炭矿，该矿区资源储量丰富，地质构造简单、矿体规模较大、形态特征明显、矿层埋藏浅、矿层厚度发育和泥炭物化指标稳定。全区泥炭有机质平均89.02%；总腐植酸含量平均53.96%，部分区域高达75%；游离腐植酸含量平均53.48%；黄腐酸含量平均4.74%；有害元素及重金属含量很低。

本试验所选用的木本泥炭原料指标如下：总腐植酸(干基)含量61.71%；游离腐植酸(干基)含量60.79%；有机质(干基)90.30%。

1.2　试验方法

称取一定量过40目筛的木本泥炭原料于反应器中，按照不同的质量比依次加入水、活化剂等，然后在一定温度下搅拌反应一定时间后，离心分离，分别对上清液和残渣进行分析。按此方法探索提取、生产腐植酸盐产品的优化条件。

1.3　数据分析

优化条件以提取率作为考察指标(以下相同)，提取率的计算方法如下：

按照腐植酸产品的相关质量标准，对产物的有机质、水溶腐植酸、水分、灰分及pH值等进行测定[6]。

2　结果与分析

2.1　反应时间的优化

固定其他反应条件(反应温度：90℃，水∶煤∶活化剂=8∶1∶0.16)，考察不同反应时间对木本泥炭中腐植酸提取效果的影响。

反应时间对提取效果的影响，结果见图1。可以看出，木本泥炭中腐植酸的提取率随反应时间的延长有小幅提升，反应时间为50min时基本达到最大值55.79%，因此在后续实验中选取反应时间为50min来对其他活化条件进行考察。

图1　反应时间对提取效果的影响
Fig.1 Effect of reaction time on the extraction

2.2　活化剂用量的优化

将反应时间设定为50min，其他条件不变的情况下对活化剂用量进行优化，煤∶活化剂分别为1∶0.12、1∶0.14、1∶0.16和1∶0.18四个添加比例，同样以提取率为考察指标，结果如图2所示。可以看出，提取率随着活化剂用量的增大而显著提高，但在1∶0.16以后提升幅度趋缓，而且活化剂用量太大时影响产物固液分离效果，导致产品水不溶物含量提高，影响产品质量。因此，活化剂用量选取1∶0.16比较合适。

图2　活化剂用量对提取效果的影响
Fig.2 Effect of activation agent ratio on the extraction

2.3　反应温度的优化

在选定反应时间50min，煤∶活化剂=1∶0.16的条件下，以提取率为考察指标对反应温度进行优化，见图3。可以看出，提取率随着反应温度的升高而增加，在90℃时达到最大值。因此，选取反应温度为90℃进行后续实验。

图3　反应温度对提取效果的影响
Fig.3 Effect of reaction time on the extraction

2.4　水量的优化

选定反应时间50min，煤∶活化剂=1∶0.16，反应温度为90℃的条件下，对水的用量进行优化，分别对煤∶水=1∶9、1∶8、1∶7、1∶6四个比例进行考察，以提取率为考察指标，结果见图4。可以看出，提取率随着用水量的增加而升高。水量较小时，固液分离效果不好，影响产品质量；如果反应时加入的水量增大，则在干燥得到固体产品的过程中需要蒸发的水量也相应增加，能耗也会增加，综合考虑煤水比为1∶8时较好。

图4　用水量对提取效果的影响
Fig.4 Effect of water ratio on the extraction

2.5　产物分析

根据以上实验的结果可知，最优条件为：反应时间50min，反应温度90℃，水∶煤∶活化剂=8∶1∶0.16，采用该条件进行反应，结束后离心分离，分别将上清液和残渣干燥后进行分析。表1数据显示，水溶腐植酸含量接近80%，水不溶物含量极低。残渣的有机质含量高达80%以上，水溶腐植酸含量为23%左右，是生产有机-无机复混肥和土壤调理剂的理想原料。

表1　产物分析结果
Tab.1 Analysis results of the products

3　结论

本研究表明，不同活化条件对木本泥炭中腐植酸的提取效果影响不同，其中反应时间的影响相对较小，反应时间从10min延长到60min，提取率仅仅从51.39%提高到55.17%，提高幅度不到4%。反应温度与提取率正相关，但相应能耗出高，所以应在实际应用过程中选取一个合适的反应温度。对提取率影响比较大的因素是活化剂和水的用量，提取率的提升幅度都能达到10%以上，而且这两个因素也直接影响产品质量，就本研究而言，最优的条件为煤∶活化剂=1∶0.16，煤∶水=1∶8，在实际生产过程中还要综合考虑原料成本、能耗等诸多因素以确定最佳的反应条件。

影响腐植酸提取效果的影响因素较多，如pH值、原料煤的细度、活化剂的种类、活化剂的用量、水的用量、搅拌方式及强度、反应温度和时间等，本研究仅对选定的一种活化剂，进行了反应时间、反应温度、活化剂用量以及水量对腐植酸提取率的影响进行了研究。今后还需作进一步研究，例如原料细度、活化剂种类等方面，为采用木本泥炭为原料进行工业化生产含腐植酸肥料提供基础。

参考文献

[1]成绍鑫.腐植酸类物质概论[M].北京：化学工业出版社，2007

[2]Hans Joosten,Donal Clarke.Wise Use of Mires and Peatlands[M].ISBN 9519774483,2004

[3]Eino Lappalainen.Global Peat Resources.Peatlands in Biosphere[M],Country Reports,Conservation and Use,1996

[4]张则友.21世纪泥炭及其腐植酸开发技术与市场分析[J].腐植酸，2000

[5]曾宪成，成绍鑫.腐植酸的主要类别[J].腐植酸，2002，(2)：4～6

[6]李善祥.腐植酸产品分析及标准[M].北京：化学工业出版社，2007