路亞楠, 馬力通, 2, 3*, 李麗萍, 李冉冉, 鄧雅卉

1. 內(nèi)蒙古科技大學化學與化工學院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010

2. 生物煤化工綜合利用內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心, 內(nèi)蒙古 包頭 014010

3. 內(nèi)蒙古科技大學低階煤炭碳中和實驗室, 內(nèi)蒙古 包頭 014010

引 言

泥炭是由死亡植物殘體積累形成的有機礦產(chǎn)資源[1]。 我國泥炭具有高腐酸、 中分解、 中有機質(zhì)、 微酸性的特點[2], 其化學成分有機質(zhì)被廣泛應用于園藝營養(yǎng)土[3-4]和有機肥料[5]等領(lǐng)域。 研究發(fā)現(xiàn), 泥炭中的有機質(zhì)經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化可產(chǎn)生甲烷, 且只轉(zhuǎn)化利用有機質(zhì)成分[6], 故生物甲烷化可能是泥炭低碳轉(zhuǎn)化的最有利的方法。 由于泥炭中富含纖維素、 半纖維素等不易降解的有機質(zhì)[7-8], 因此預處理是泥炭綜合利用中不可或缺的步驟, 郝思雯等[9]通過酸、 堿、 超聲波和微波預處理草本泥炭后進行甲烷發(fā)酵, 發(fā)現(xiàn)堿預處理泥炭甲烷產(chǎn)氣量可增加200.20%。 馬力通等[10]研究堿預處理泥炭, 發(fā)現(xiàn)在堿濃度4.5%、 固液質(zhì)量比1∶12、 90 ℃處理140 min的最佳條件下, 能夠有效提高泥炭的生物可降解性。 腐植酸(humic acid, HA)是由含氧官能團構(gòu)成的芳香化合物, 為泥炭主要成分之一, 含有羰基、 羧基、 羥基、 醌基、 甲氧基等[11-12], 其含氧官能團、 光密度、E4/E6值、 分子量等是表征泥炭腐植酸結(jié)構(gòu)的重要手段[13-16]。 為實現(xiàn)泥炭甲烷發(fā)酵殘渣再利用, 探索提高泥炭甲烷發(fā)酵殘渣再利用的新思路, 需要解析堿液對甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸得率、 純度、 結(jié)構(gòu)的影響。 本實驗以泥炭甲烷發(fā)酵殘渣與氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵殘渣為腐植酸提取的原料, 采用不同堿性物質(zhì)萃取殘渣腐植酸, 以色譜純腐植酸作為對照, 對得到的腐植酸的紫外-可見光譜、 紅外光譜、 熒光光譜、 純度、 產(chǎn)率進行比較, 探索甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸與色譜純腐植酸結(jié)構(gòu)的差別, 分析不同堿性物質(zhì)對殘渣提取腐植酸的影響, 以期實現(xiàn)泥炭甲烷發(fā)酵殘渣的再利用, 延長泥炭產(chǎn)品鏈, 提高泥炭資源經(jīng)濟價值。

1 實驗部分

1.1 試劑

草本泥炭購自吉林吉祥有限公司; 活性污泥取自包頭市南郊污水處理廠, 并于冰箱中4 ℃保存; 氫氧化鉀、 氫氧化鈉、 氫氧化鋰、 焦磷酸鈉、 硫酸、 硫酸亞鐵銨、 重鉻酸鉀均為分析純, 購于天津市風船化學試劑科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 泥炭甲烷發(fā)酵

準確稱取100目40.000 0 g草本泥炭于錐形瓶中, 加入480 mL 3% NaOH溶液, 置于70 ℃水浴鍋中加熱110 min。 冷卻至室溫后調(diào)節(jié)pH至6.9～7.1, 迅速倒入300 mL活性污泥, 再次調(diào)節(jié)pH至6.9～7.1。 排出空氣后置于51 ℃恒溫水浴鍋中發(fā)酵至日產(chǎn)氣量為零時停止發(fā)酵, 殘渣烘干后備用。 未采用NaOH預處理的泥炭甲烷發(fā)酵做對照實驗, 每組均做三組平行實驗。

1.2.2 腐植酸提取

準確稱取5.000 0 g氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣和對照組(泥炭甲烷發(fā)酵)殘渣, 以固液比(g·mL-1) 1∶4加入5% KOH、 NaOH、 LiOH和Na4P2O7溶液。 浸泡24 h后加入100 mL蒸餾水, 在80 ℃下加熱攪拌2 h, 反復離心后取上清液。 用5% H2SO4溶液調(diào)節(jié)pH至2～3, 再次離心, 取下層沉淀烘干備用。 5% KOH、 NaOH、 LiOH和Na4P2O7提取氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣和對照組腐植酸分別命名為SPHA、 PHA、 SSHA、 SHA、 SLHA、 LHA、 STHA、 THA。

1.2.3 純度與產(chǎn)率

取0.200 0 g 70目腐植酸, 用1% NaOH溶解至100 mL。 移取5.00 mL腐植酸溶液與5.00 mL 0.4 mol·L-1K2Cr2O7、 15 mL濃硫酸于錐形瓶中, 置于100 ℃水浴鍋中氧化30 min, 冷卻到室溫后加3～5滴鄰菲羅啉指示液, 采用標定后的硫酸亞鐵銨滴定, 當溶液由橙色變綠色再變?yōu)榇u紅色時即為終點, 同時做空白對照。 純度計算公式如式(1)

(1)

式(1)中:A為腐植酸純度; 0.003表示碳的毫克當量, g;V0為滴定空白組消耗的硫酸亞鐵銨, mL;V1為滴定樣品消耗的硫酸亞鐵銨, mL;c為硫酸亞鐵銨的濃度, mol·L-1;C為含碳比, 0.59;m為腐植酸樣品重量, g;Va為配制的腐植酸溶液的體積, mL;Vb為滴定所取的腐植酸溶液體積, mL。

產(chǎn)率計算公式如式(2)

(2)

式(2)中:B為腐植酸產(chǎn)率;ma為分離腐植酸的質(zhì)量, g;mb為殘渣的重量, g。

1.2.4 光譜分析

紫外-可見光譜分析: 用碳酸氫鈉溶解腐植酸樣品至100 mg·L-1并調(diào)節(jié)pH至7, 置于紫外-可見近紅外分光光度計(CAYR 5 000, Agilent), 測定200～800 nm范圍內(nèi)的吸光度, 同時記錄465和665 nm處吸光度值, 其比值記作E4/E6; 熒光光譜分析: 用碳酸氫鈉溶解腐植酸樣品至100 mg·L-1并調(diào)節(jié)pH至7, 固定激發(fā)波長274 nm置于熒光光譜儀(LS55, Perkin Elmer)中, 掃描并記錄其光譜圖, 其狹縫寬度8 nm、 掃描速度1 000 nm·min-1、 掃描范圍275～650 nm。 傅里葉變換紅外光譜分析: 準確稱取1 mg腐植酸樣品, 用傅里葉變換紅外光譜儀(TENSOR Ⅱ, Bruker)測定并記錄4 000～400 cm-1的紅外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同堿液萃取泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的產(chǎn)率

圖1為不同堿液萃取泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的產(chǎn)率, 由圖1可知, 氫氧化鈉預處理殘渣腐植酸產(chǎn)率明顯低于對照組, 氫氧化鉀、 氫氧化鈉、 氫氧化鋰、 焦磷酸鈉萃取預處理殘渣腐植酸比對照組分別下降了12.6%、 8.57%、 2.52%、 2.66%。 研究發(fā)現(xiàn)甲烷發(fā)酵過程中, 微生物會降解腐植酸促進甲烷發(fā)酵的進程[17], 而預處理又可以促進甲烷發(fā)酵[10, 18], 使得更多的腐植酸被降解消耗, 產(chǎn)率降低。 氫氧化鋰萃取甲烷發(fā)酵泥炭殘渣和氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的產(chǎn)率均最高, 分別達43.59%、 41.07%; 焦磷酸鈉作為萃取劑時, 由于堿性降低[19], 腐植酸產(chǎn)率較低。

圖1 泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的產(chǎn)率

2.2 不同堿液萃取泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的純度

圖2為不同堿液萃取泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的純度, 由圖2可知, 除氫氧化鉀萃取腐植酸外, 氫氧化鈉預處理殘渣腐植酸與對照組腐植酸純度差值在0.2%～0.9%范圍, 表明氫氧化鈉預處理對甲烷發(fā)酵殘渣萃取腐植酸純度影響較小。 氫氧化鋰萃取氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣和對照組腐植酸的純度均最高, 分別是70.4%、 70.6%; 氫氧化鈉作為萃取劑時腐植酸純度次之; 氫氧化鉀萃取腐植酸純度最低, 說明氫氧化鋰提取腐植酸的純度較高。

圖2 泥炭甲烷發(fā)酵腐植酸的純度

2.3 不同堿液萃取泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸紫外-可見光譜

不同萃取劑萃取氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣和對照組腐植酸的紫外-可見光譜如圖3(a—d)所示, 并測定色譜純腐植酸(Control)紫外-可見光譜圖作為對照。 腐植酸紫外-可見光譜均在210～240 nm出現(xiàn)吸收峰, 后逐漸降低至趨于0, 這是因為腐植酸是高度不飽和芳香化合物, 使其在紫外區(qū)有強吸收[20]。E4、E6分別指465、 665 nm處的吸光度值, 其比值E4/E6是表征腐植酸芳構(gòu)化程度的重要指標[21], 研究發(fā)現(xiàn)E4/E6比值與腐植酸芳香縮合程度、 分子量大小呈負相關(guān)趨勢, 即比值越大分子量越小, 芳構(gòu)化程度越低[22]。

圖3 泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的紫外-可見光譜

如表1所示, 不同堿液萃取氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵腐植酸的E4/E6比值均明顯低于對照組, 表明氫氧化鈉預處理使殘渣腐植酸芳構(gòu)化程度增大, 且提取腐植酸樣品的E4/E6比值范圍與Ding[23]的研究相似。 牛育華等[24]研究發(fā)現(xiàn)腐植酸分子量M的計算公式為: lgM=-0.089 3E4/E6+5.193 5, 根據(jù)公式, 對照組腐植酸分子量范圍在37 456～72 109之間, 氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸分子量范圍在49 730～83 717之間, 氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸分子量明顯升高, 說明泥炭甲烷發(fā)酵會導致腐植酸發(fā)生降解, 小分子量的組分被微生物降解消耗; 而氫氧化鈉預處理的促進作用, 導致更多的腐植酸被降解為小分子后利用[25], 導致氫氧化鈉預處理后腐植酸芳構(gòu)化程度增大, 分子量增大。

表1 泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的E4/E6

不同堿性溶劑萃取對腐植酸E4/E6比值也有明顯影響。 焦磷酸鈉萃取氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸與對照組腐植酸的E4/E6比值均最大, 分別為6.94、 5.56; 氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸與對照組腐植酸的E4/E6比值均最小, 分別是3.76、 3.03。 表明由焦磷酸鈉萃取得到的腐植酸芳構(gòu)化程度較低, 分子量較小。

2.4 不同堿液萃取泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸熒光光譜

腐植酸結(jié)構(gòu)復雜, 含有多種不飽和基團, 固定激發(fā)波長為274 nm, 吸收峰相互交疊形成如圖4(a—d)所示的熒光光譜。 由圖4可知, 不同腐植酸均在451～482 nm出現(xiàn)熒光峰, 表明存在類富里酸和類腐植酸物質(zhì)[26], 且與腐植酸標準品(Control)峰形相似, 證明提取物質(zhì)確為腐植酸。 與腐植酸標準品(Control)的熒光光譜比較, 不同溶劑萃取氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸和對照組腐植酸的吸收峰出現(xiàn)了不同程度的紅移或藍移, 表明不同方式得到的腐植酸結(jié)構(gòu)不完全相同, 腐植酸分子不飽和基團的種類和數(shù)量不同。 氫氧化鈉萃取腐植酸(SHA)的熒光峰波長最小, 為451 nm; 焦磷酸鈉萃取腐植酸(THA)的熒光峰波長最大, 是455 nm。 相比于對照組腐植酸, 氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵泥炭殘渣腐植酸的熒光峰均發(fā)生紅移, 氫氧化鉀、 氫氧化鈉、 氫氧化鋰、 焦磷酸鈉萃取氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵泥炭殘渣腐植酸的熒光峰分別從對照組腐植酸的454、 451、 453和455 nm紅移到468、 462、 459和483 nm。 Wang[27]研究表明, 腐植酸類有機物在熒光區(qū)呈現(xiàn)紅移, 表明分子量、 芳香性和縮聚度增加。 可確定氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵泥炭殘渣腐植酸的芳構(gòu)化程度較大, 與E4/E6比值結(jié)果相似。

圖4 不同腐植酸的熒光光譜

2.5 不同堿液萃取泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的紅外光譜

圖5 泥炭甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的紅外光譜圖

不同溶劑萃取氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵泥炭殘渣和對照組腐植酸的紅外光譜出峰位置大致相似。 在3 800～3 500、 2 980、 2 900、 1 060 cm-1附近, 泥炭殘渣腐植酸峰面積明顯降低, 表明甲烷發(fā)酵后腐植酸的羥基、 甲基、 亞甲基、 醚鍵含量均降低; 在1 780～1 680、 1 650～1 560 cm-1附近泥炭殘渣腐植酸峰面積明顯增大, 表明氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵泥炭殘渣腐植酸羰基、 苯環(huán)含量較高, 再次驗證了紫外-見光譜、 熒光光譜的結(jié)論。 甲烷發(fā)酵過程中, 簡單的脂肪烴結(jié)構(gòu)被微生物消耗利用, 而苯環(huán)等復雜的無法被微生物利用的結(jié)構(gòu)仍存在于泥炭殘渣中, 氫氧化鈉預處理的促進作用導致更多的脂肪結(jié)構(gòu)被消耗利用, 故氫氧化鈉甲烷發(fā)酵泥炭殘渣腐植酸芳構(gòu)化程度較高。

3 結(jié) 論

研究表明, 不同溶劑萃取和甲烷發(fā)酵均對泥炭腐植酸的分子結(jié)構(gòu)有影響。

(1)相比于對照組, 氫氧化鈉預處理殘渣腐植酸產(chǎn)率明顯降低, 純度差值較小, 介于0.2%～0.9%范圍內(nèi)。 由于預處理可以促進甲烷發(fā)酵過程, 導致更多腐植酸被利用以促進甲烷發(fā)酵進程, 使腐植酸產(chǎn)率降低。 氫氧化鋰萃取氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵殘渣和對照組腐植酸的產(chǎn)率、 純度均最高, 產(chǎn)率分別達43.59%、 41.07%、 純度分別是70.4%、 70.6%, 故為最優(yōu)萃取劑。

(2)光譜分析表明, 氫氧化鈉預處理泥炭甲烷發(fā)酵腐植酸的芳構(gòu)化程度增大, 分子量明顯升高, 范圍在49 730～83 717之間, 氫氧化鈉預處理甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的熒光峰紅移, 羥基、 甲基、 亞甲基、 醚鍵含量均降低; 羰基、 苯環(huán)含量升高。

(3)不同堿液萃取對腐植酸的結(jié)構(gòu)有明顯影響。 由氫氧化鈉萃取得到的腐植酸熒光峰位置最小; 焦磷酸鈉萃取腐植酸的羥基、 甲基、 亞甲基、 醚鍵含量較高, 芳構(gòu)化程度較低, 分子量較小; 氫氧化鈉萃取腐植酸含有較多的酮、 醛、 羧酸、 苯環(huán)等結(jié)構(gòu)。