黃腐酸分級(jí)及結(jié)構(gòu)研究

徐萬幸，張永振，劉文靜，馬璐藺，張英杰,，鞏冠群,

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

由于優(yōu)質(zhì)煤的大量使用，褐煤已成為我國主要使用的煤，但由于褐煤的煤化程度太低，造成燃燒時(shí)會(huì)有大量的黑灰飄在空中，如果不經(jīng)過洗煤處理和提煉，大量使用劣勢褐煤會(huì)導(dǎo)致我國霧霾問題日益嚴(yán)重。褐煤中腐植酸是一種非晶形的高分子有機(jī)化合物質(zhì)，黃腐酸是其中分子量較小且活性較大的組分，因其分子量較低、易溶于多種溶劑且其在生物體內(nèi)活性較高故能夠被許多生物體吸收利用。研究發(fā)現(xiàn)黃腐酸是由眾多含氧官能團(tuán)構(gòu)成的高分子有機(jī)酸，眾多含氧官能團(tuán)良好的生理活性使其具有吸收、絡(luò)合和交換等功能[1-3]，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電極材料和醫(yī)藥等方面[4-6]。本文通過對(duì)國內(nèi)外黃腐酸分級(jí)方法的比較，歸納了加壓超濾和透析分級(jí)等現(xiàn)代分級(jí)技術(shù)在黃腐酸分級(jí)過程中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)各級(jí)分表征分析，為全面研究黃腐酸的基礎(chǔ)理論和科學(xué)應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 黃腐酸的分級(jí)方法

1.1 梯度淋洗法

溶劑梯度淋洗法是可利用溫度梯度與溶劑梯度相結(jié)合的制備方法，即將溶質(zhì)在溶液中溶解，經(jīng)減壓蒸餾除去溶劑后使其均勻分布在玻璃珠表面裝入玻璃柱中，通過溶劑和非溶劑按照不同體積比配制一系列溶液與程序升溫相結(jié)合，將溶液依次加入玻璃珠，經(jīng)減壓蒸餾后可得到不同分子量的活性組分。劉誠儀等[7]利用溶劑梯度淋洗分級(jí)的方法對(duì)黃腐酸鈉分級(jí)，按數(shù)均分子量(Mn)分為355、1 003和>2 500三種活性組分。張德和等[8]使用高分子中常用的溶劑分級(jí)法對(duì)黃腐酸進(jìn)行分級(jí)，即在乙醇-乙酸乙酯溶劑體系中按照不同分子量級(jí)別對(duì)黃腐酸進(jìn)行研究，經(jīng)淋洗分級(jí)溶解得到15個(gè)級(jí)分，此方法可以獲得較多且分子量比較均一的樣品，為下步實(shí)驗(yàn)研究提供需要。

1.2 凝膠過濾法

黃腐酸凝膠過濾分級(jí)是指使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠作為分子篩，根據(jù)黃腐酸分子大小的不同進(jìn)行分離。在層析過程中采用惰性微孔網(wǎng)狀物質(zhì)作為填料，其中交聯(lián)的聚糖是經(jīng)常使用的一類物質(zhì)，在整個(gè)黃腐酸分級(jí)過程中，分子量較小的部分進(jìn)入填料內(nèi)部，其流下所用時(shí)間較長，分子量較大部分物質(zhì)無法進(jìn)入填料內(nèi)部，從填料外部流出所用時(shí)間短，從而把黃腐酸按照不同分子量篩分開。陳榮峰[9]采用凝膠分級(jí)的方法對(duì)風(fēng)化煤中的黃腐酸進(jìn)行分級(jí)，經(jīng)陽離子交換樹脂交換后真空干燥，得到FA1、FA2、FA3和FA4四個(gè)活性組分，使用沸點(diǎn)升高法測得其數(shù)均分子量Mn，其中FA1為2 789，F(xiàn)A2為1 299，F(xiàn)A4為1 315。Anderson[10]采用凝膠滲透法利用交聯(lián)葡聚糖(G-100、G-75、G-50、G-25)成功地將腐植酸分成4個(gè)不同分子質(zhì)量的組分，該方法條件溫和且再現(xiàn)性好。

1.3 透析分級(jí)法

透析分級(jí)的方法指利用特定的半透膜(多數(shù)用纖維素制成)，并將半透膜制成類似袋的形狀，把裝有需要分級(jí)的樣品溶液透析袋放置在緩沖液中利用擴(kuò)散壓力，即半透膜兩側(cè)的濃度梯度不同，則樣品溶液中小分子量的物質(zhì)被透析出來，大分子量的物質(zhì)被截留在袋內(nèi)，當(dāng)半透膜內(nèi)外兩側(cè)的濃度達(dá)到平衡時(shí)，保留在半透膜內(nèi)未透析出的樣品稱為“保留液”，膜外的樣品溶液稱為“透析液”。在最近的研究中Qin等[11]用過氧化氫氧化褐煤提取黃腐酸，經(jīng)離心儀器離心后得到降解液的上清夜，通過真空減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)進(jìn)行濃縮并在50 ℃條件下干燥，得到黃腐酸溶液通過分子量為100～500的透析袋透析后濃縮并冷凍成固體保存，利用氣相色譜-質(zhì)譜分析法對(duì)分級(jí)后的黃腐酸進(jìn)行定性和定量的研究，發(fā)現(xiàn)此分子量范圍內(nèi)的47種成分。朱輝等[12]利用透析分級(jí)方法結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)的保留指數(shù)(RI)，同時(shí)將峨山和尋甸兩種不同來源地的褐煤黃腐酸進(jìn)行了分子量小于500的分級(jí)，并測得其揮發(fā)分的種類分別為20種占總體的88.96%和24種占總體的91.33%，兩者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其中有12種相同的成分。張水花等[13]采用了相對(duì)分子量(Mr)為1K、2K、3.5K、8K、10K和25K的透析袋對(duì)黃腐酸進(jìn)行分離，獲得7個(gè)不同分子量的活性級(jí)分，利用該方法可以對(duì)小分子混合物官能團(tuán)進(jìn)行定性定量分析。

1.4 加壓超濾法

加壓超濾法指在一定壓力下，使黃腐酸分子量較小的一部分穿過一種小孔徑的特制超濾薄膜，而分子量較大的溶質(zhì)不能透過，留在膜的一側(cè)，從而使不同孔徑截留不同分子量的物質(zhì)進(jìn)行分離。Li等[14]采用超濾儀器和膜分離技術(shù)將從帕霍基煤種提取的腐植酸分成八個(gè)不同分子量大小尺寸的活性組分，分別是<1，1～3，3～5，5～10，10～30，30～100，100～300和>300 kDa，并采用高效凝膠排阻色譜法對(duì)分子量分布進(jìn)行了進(jìn)一步的校正，證明超濾技術(shù)對(duì)腐植酸活性組分的分離是有效的。Li等[15]利用此方法，對(duì)黃腐酸分為四個(gè)級(jí)別的重均分子量Mw(<5，5～10，10～30，>30 kDa)活性組分進(jìn)行研究。張靜茹[16]在最近的研究中將腐植酸鈉溶液中放入有切割分子量為4 000，10 000，30 000，50 000和70 000的超濾膜的超濾系統(tǒng)中分級(jí)，經(jīng)表征分析得出分子量小的脂肪化程度高，分子量大的其芳香度大，該分級(jí)方法在整個(gè)分級(jí)過程中沒有相的轉(zhuǎn)移且條件比較溫和。

2 黃腐酸分級(jí)方法的比較

溶劑梯度淋洗法雖可以獲得較多且分子量比較均一的樣品，但操作復(fù)雜需嚴(yán)格控制各操作段溫度梯度以及各溶劑體積的比例，在此過程中需大量使用洗脫液容易造成浪費(fèi)，且需保證流速的穩(wěn)定性，否則難以得到重復(fù)性的結(jié)果；凝膠過濾分級(jí)過程中所使用填料為惰性載體，無電荷、吸附力較弱等特點(diǎn)，其操作溫度范圍較廣無需有機(jī)溶劑的引入，對(duì)高分子有良好的分離效果，但其分辨率不高且分子量表現(xiàn)在流速上的差別，在分離時(shí)需嚴(yán)格把握流速故分離較慢，同時(shí)分級(jí)產(chǎn)品灰分含量較高；加壓超濾法條件溫和無成分破壞，分離過程中沒有相的轉(zhuǎn)移且無須加熱，采用壓力作為分離的動(dòng)力，局限性在與現(xiàn)有過濾器的濃差極化現(xiàn)象明顯，過濾時(shí)黃腐酸與超濾膜之間存在相互作用，易產(chǎn)生分離不均或超濾膜堵塞的現(xiàn)象，限制了超濾膜的循環(huán)使用；透析袋分級(jí)是近年來研究的熱點(diǎn)，選擇合適的半透膜能夠在較溫和條件下對(duì)混合物進(jìn)行不同分子量級(jí)別活性組分的分級(jí)，具工藝過程簡單、操作安全等特點(diǎn)，但其依靠的是膜兩側(cè)的擴(kuò)散壓來進(jìn)行分級(jí)，故該操作過程耗時(shí)較長，同時(shí)存在透析袋的制作成本較高并含有微量硫化物和重金屬等雜質(zhì)，使用之前必須除去，不利于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

3 黃腐酸各級(jí)分表征

由于地區(qū)、原生植物和變質(zhì)年代的不同等因素的影響，其煤中黃腐酸的結(jié)構(gòu)、含量和組成較為復(fù)雜，且其提取方式的不同也會(huì)對(duì)黃腐酸的質(zhì)量產(chǎn)生影響[17]。隨著現(xiàn)代研究手段取得進(jìn)展，可通過物理和化學(xué)的方法進(jìn)行分離和降解，使樣品產(chǎn)生分離、分級(jí)的較小的片段，再通過現(xiàn)代儀器進(jìn)行鑒定和解析，從而推斷其大分子的結(jié)構(gòu)模型。黃腐酸的應(yīng)用基礎(chǔ)是較多的活性官能團(tuán)組分，眾多學(xué)者通過分級(jí)檢測方法對(duì)其展開研究，為黃腐酸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)。

黃腐酸分子量小于500的可以通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)結(jié)合保留指數(shù)(RI)確定化學(xué)組分的組成，通過峰面積歸一化的方法確定其組分含量。Qin[11]研究云南省峨山縣煤礦褐煤，表征發(fā)現(xiàn)含量超過0.1%的組分有47種，占物質(zhì)總量95%，其中酯類化合物的含量高達(dá)89%，其他是一些酸類和醇類化合物。朱輝等[12]采用膜分離技術(shù)研究云南尋甸和峨山兩地分子量小于500的褐煤黃腐酸，其中乙酯類物質(zhì)分別占83.37%和78.79%，相同的化學(xué)物質(zhì)成分12種。以上研究更好的說明了在黃腐酸較低分子量時(shí)，存在大量的羧基，與上文研究所發(fā)現(xiàn)的在相對(duì)分子量較低級(jí)分中含氧官能團(tuán)較多相吻合。

4 結(jié)束語

梯度淋洗和凝膠過濾分級(jí)分離精度較低，而先進(jìn)的分級(jí)技術(shù)如加壓超濾和透析分級(jí)存在著成本較高，不能大規(guī)模生產(chǎn)等問題。故改進(jìn)已有的分級(jí)技術(shù)，尋找更有效的先進(jìn)分級(jí)方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)黃腐酸的高效精細(xì)分級(jí)具有重要意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超濾、透析等分級(jí)技術(shù)將會(huì)更加完善，同時(shí)一些新型的分級(jí)技術(shù)也將不斷出現(xiàn)，黃腐酸的高效精細(xì)分級(jí)以及其結(jié)構(gòu)組分的研究也將會(huì)有新的突破。