萃取劑與預(yù)處理對甲烷發(fā)酵泥炭腐植酸結(jié)構(gòu)的影響

路亞楠，馬力通,2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)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)

0 引 言

泥炭是成煤演替序列的第一階段[1]，在微生物作用下，成炭植物遺體發(fā)生分解、合成、聚集轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵俊Ｓ捎谀嗵恐泻写罅课捶纸獾闹参餁報w[2]，未經(jīng)處理的泥炭難于被微生物降解，大量泥炭生物甲烷化過程中，預(yù)處理是不可或缺的步驟。GAWE[3]等以木質(zhì)纖維素廢物為原料，討論了木質(zhì)纖維素發(fā)酵和酸堿預(yù)處理發(fā)酵對生成甲烷和氫氣的影響。研究發(fā)現(xiàn)硫酸預(yù)處理可溶解高達80%的木質(zhì)纖維素，堿性預(yù)處理效率更高，特別能溶解某些不能用酸溶解的硬質(zhì)材料，對生成甲烷和氫氣有促進作用。ANNIEK等[4]以富鐵泥炭為研究對象，通過培養(yǎng)試驗研究了不同鹽離子對甲烷生產(chǎn)和消耗的影響。甲烷在沒有任何添加物時產(chǎn)量較高，F(xiàn)e(III)氧化物對甲烷排放有促進作用，而亞硝酸鹽、硝酸鹽和富含硫酸鹽的物質(zhì)會抑制甲烷產(chǎn)生。

泥炭的另一主要化學(xué)成分腐植酸結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，主要含氧官能團包括羰基、酚羥基、醇羥基、羧基、烷氧基、醌基等[5]，盡管進行了廣泛研究，但仍無法完全表征，現(xiàn)主要采用堿溶酸析法提取腐植酸，通過元素分析、熒光光譜、紫外-可見光譜、電子與振動光譜、傅里葉變換紅外光譜和核磁共振光譜等進行表征[6]。郭雅妮等[7]采用堿溶酸析、氧解法和催化法提取陜西黃陵風化煤腐植酸，并探索最佳工藝條件，對腐植酸性能進行表征。結(jié)果顯示最佳方法為催化法，提取腐植酸灰分最多，分子量最大，且含有大量羧基羰基等官能團。

水利移民安置工程涵蓋范圍較廣、領(lǐng)域多所以移民信息量極大，所以水利移民安置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)工程數(shù)據(jù)的收集和整理是其安置工程的核心技術(shù)。

筆者課題組前期研究工作證實：預(yù)處理能強化泥炭原料轉(zhuǎn)化為生物甲烷[8]，且已有泥炭提取腐植酸的相關(guān)報道，但鮮見甲烷發(fā)酵耦合腐植酸提取相關(guān)研究。因此，筆者以草本泥炭為研究對象，探索預(yù)處理甲烷發(fā)酵耦合泥炭腐植酸提取的可行性，解決泥炭利用率低及資源浪費的關(guān)鍵問題，實現(xiàn)高甲烷得率下提取泥炭腐植酸，同時探索不同萃取劑對腐植酸產(chǎn)率、含量、紫外可見光譜、傅里葉紅外光譜、熒光光譜的影響，尋找堿溶酸析法提取腐植酸的最優(yōu)萃取劑，為富含腐植酸的低階煤資源加工利用探索新途徑。

（2）林業(yè)技術(shù)推廣是實現(xiàn)林業(yè)增長方式的重要途徑。新的生態(tài)林業(yè)建設(shè)需要更多現(xiàn)代科技的支撐，比如在林業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)結(jié)合方面在林業(yè)科技和產(chǎn)業(yè)的對接上都提供了更多的可能性，促進了林業(yè)的自身發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的整合升級，逐步走向生態(tài)林業(yè)的立體式發(fā)展。

1 試 驗

1.1 儀器與試劑

不同萃取劑與預(yù)處理甲烷發(fā)酵提取腐植酸樣品的紅外光譜(圖5)出峰位置具有相似的吸收形狀，只是吸收強度不同，表明不同萃取劑提取甲烷發(fā)酵和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸結(jié)構(gòu)具有相似性。比較不同方法提取的腐植酸樣品的紅外光譜與色譜純腐植酸，確定不同方式提取腐植酸的變化，包括新峰出現(xiàn)、原有峰強度變化以及波長變化。

1.2 試驗方法

準確稱取40 g 0.15 mm草本泥炭于燒杯中，加入480 mL 3% NaOH溶液(固液比1∶12)，在70 ℃水浴加熱110 min。冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH至7.0，同時做空白試驗，做3組平行，分別置于發(fā)酵瓶中，加入300 mL活性污泥后調(diào)節(jié)pH至7.0，密封后置于恒溫水浴鍋中50 ℃進行甲烷發(fā)酵試驗，日產(chǎn)氣量至0時終止發(fā)酵，發(fā)酵殘渣烘干備用。

甲烷發(fā)酵組和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵組的甲烷總產(chǎn)量如圖1所示，在泥炭甲烷發(fā)酵前采用氫氧化鈉預(yù)處理，總產(chǎn)甲烷量比空白組提高12.30%。即相比于同等條件下只進行熱處理的草本泥炭，氫氧化鈉預(yù)處理后甲烷產(chǎn)量增長了1.12倍。說明采用氫氧化鈉預(yù)處理草本泥炭甲烷產(chǎn)量明顯增加，氫氧化鈉預(yù)處理對甲烷發(fā)酵過程有明顯促進作用。

稱取40 g 0.15 mm草本泥炭于燒杯中，加入480 mL蒸餾水(固液比1∶12(g∶mL))，置于發(fā)酵瓶中，加入300 mL活性污泥后調(diào)節(jié)pH至7.0，密封后置于恒溫水浴鍋中，在50 ℃進行甲烷發(fā)酵試驗，日產(chǎn)氣量將至0 mL時終止發(fā)酵試驗，發(fā)酵殘渣烘干備用，平行做3組。

普洱市地處低緯度、高海拔地區(qū)，茶樹具有萌發(fā)較早、采摘期長、芽葉肥壯等特點。普洱市旅游環(huán)線內(nèi)森林覆蓋率達94.5%，內(nèi)有植物2014種，其中有藥用植物野砂仁，花卉植物山海棠、蘭花等，被稱為“天然花園”。溫度較為適宜，降雨量充沛，這使得普洱擁有怡人的康樂氣候。旅游環(huán)線內(nèi)水體資源，融“山、林、水、人”四大主題為一體，呈現(xiàn)出不同的水體形態(tài)。由于區(qū)內(nèi)熱量豐富，氣候濕潤，森林茂密，食物豐富，為野生動物的生息繁衍提供了十分優(yōu)越的環(huán)境條件。普洱市擁有35個少數(shù)民族，不同民族，以茶待客、以茶聯(lián)姻等，把茶文化發(fā)揮得淋漓盡致，成為一種文化標桿。

1.2.2氫氧化鈉預(yù)處理草本泥炭甲烷發(fā)酵

1.2.1草本泥炭甲烷發(fā)酵

1.2.3堿溶酸析法提取甲烷發(fā)酵草本泥炭殘渣腐植酸

稱取5 g 0.15 mm甲烷發(fā)酵和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵草本泥炭發(fā)酵殘渣于燒杯中，分別加入20 mL的5% Na2CO3、5% NaHCO3、5% NH3·H2O、5% Na2SO3溶液(固液比1∶4)，浸泡24 h后加入100 mL蒸餾水(固液比為1∶20)，80 ℃下加熱攪拌反應(yīng)2 h。離心分離，得到上清液，并用蒸餾水清洗沉淀2～3次，將清洗液與上清液混合，得到濾液。采用5% H2SO4溶液調(diào)節(jié)濾液pH至2～3[9]，取下層沉淀置于80 ℃烘箱中烘至恒重，得產(chǎn)物待測。

1.3 腐植酸含量測定

稱取0.2 g 烘干腐植酸樣品(0.180～0.212 mm(70～80目))，采用1% NaOH溶解至100 mL，濾掉前10 mL濾液后取5 mL于250 mL錐形瓶中，依次加入0.4 mol/L重鉻酸鉀5 mL，濃硫酸15 mL，于沸水浴上加熱氧化30 min，冷卻至室溫后，加入3～5滴鄰菲羅啉指示液，采用硫酸亞鐵銨標液滴定，溶液變至磚紅色時即為終點[10]，記錄硫酸亞鐵銨消耗量，同時作空白試驗。

(1)

烘干后的腐植酸樣品用傅里葉變換紅外光譜儀(德國布魯克TENSOR Ⅱ)記錄波長4 000～400 cm樣品的紅外光譜。準確稱取10 mg烘干腐植酸樣品，用100 mg/L 碳酸氫鈉溶液溶解至100 mL，用1% NaOH或0.1 mol/L HCl 調(diào)節(jié)pH至8.0[11]，以消除pH對紫外可見光譜及英國光譜測量結(jié)果的影響。分別用美國CAYR 5000紫外可見分光光度計、LS55熒光光譜儀記錄。紫外可見光譜測量波長在200～800 nm，分辨率為1 nm，并記錄280和465 nm處吸光度值分別記為E2、E4，以獲得E2/E4比值。熒光光譜以1 000 nm/min 掃描速度記錄，激發(fā)和發(fā)射狹縫帶寬為8 nm。所有光譜掃描范圍在275～650 nm，固定激發(fā)波長為274 nm。

1.4 紅外光譜、紫外-可見光譜與熒光光譜的測定

式中，B為腐植酸質(zhì)量分數(shù)，%；0.003為碳的毫克當量，g；V0為滴定空白時消耗硫酸亞鐵銨的體積，mL；V1為滴定樣品時消耗硫酸亞鐵銨的體積，mL；N為硫酸亞鐵銨物質(zhì)的量濃度，mol/L；C為腐植酸含碳比系數(shù)(腐植酸為0.58)；G為樣品質(zhì)量，g；Va為腐植酸溶液總體積，mL；Vb為滴定腐植酸溶液體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鈉預(yù)處理對草本泥炭甲烷發(fā)酵的影響

青櫻在轉(zhuǎn)入簾幕之前望了她一眼，亦不覺嘆然，怎么會有這樣的女人？輕柔得如同一團薄霧輕云，連傷心亦是，美到讓人不忍移目。

通過應(yīng)用信息化科學(xué)技術(shù)可以實現(xiàn)土木工程設(shè)計和管理的優(yōu)化，充分將建筑美學(xué)表達出來，實現(xiàn)土木管理的精細化。隨著各項新的技術(shù)、設(shè)備逐漸研發(fā)，新的管理模式以及應(yīng)用平臺的更新，土木工程建設(shè)如果不能做到與時俱進勢必會被社會淘汰，只有不斷將適應(yīng)現(xiàn)代化社會發(fā)展的需求，逐步提升管理水平，才能促進土木工程施工建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。

圖1 甲烷發(fā)酵和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵總產(chǎn)氣量

2.2 萃取劑種類與預(yù)處理對甲烷發(fā)酵泥炭腐植酸產(chǎn)率的影響

萃取劑萃取甲烷發(fā)酵(M)和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵(SM)殘渣腐植酸產(chǎn)率如圖2所示，氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵后，腐植酸產(chǎn)率明顯降低，碳酸鈉、碳酸氫鈉、氨水、亞硫酸鈉萃取甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸分別降低16.54%、23.58%、11.30%、14.65%，筆者課題組研究發(fā)現(xiàn)[12]，甲烷發(fā)酵過程中會消耗利用腐植酸，以促進甲烷發(fā)酵過程，產(chǎn)生甲烷。氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵過程中更多的腐植酸被微生物消耗利用來促進甲烷發(fā)酵，以得到更多甲烷氣體。這與甲烷發(fā)酵總產(chǎn)氣量研究結(jié)果相匹配。

圖2 萃取劑萃取甲烷發(fā)酵(M)和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵(SM)殘渣腐植酸產(chǎn)率

不同萃取劑萃取甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸的產(chǎn)率不同，亞硫酸鈉萃取得到的腐植酸產(chǎn)率最高，萃取甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸產(chǎn)率達31.05%，萃取氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸產(chǎn)率達26.5%。且亞硫酸鈉萃取氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵泥炭殘渣腐植酸產(chǎn)率下降較低，為腐植酸提取最佳萃取劑。

2.3 萃取劑種類與預(yù)處理對甲烷發(fā)酵泥炭腐植酸含量的影響

不同來源、不同萃取劑獲得樣品的腐植酸含量如圖3所示。氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵對腐植酸含量影響較小。碳酸氫鈉萃取氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸僅降低2.7%，表明腐植酸來源影響較低。

圖3 萃取劑萃取甲烷發(fā)酵(M)和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵(SM)殘渣腐植酸含量

萃取劑對腐植酸含量影響較強，碳酸鈉萃取腐植酸含量最高，甲烷發(fā)酵腐植酸達27.76%，氫氧化鈉達33.62%。即堿溶酸析法提取腐植酸時采用碳酸鈉做萃取劑，可得較高含量的腐植酸。

2.4 萃取劑種類與預(yù)處理對甲烷發(fā)酵泥炭腐植酸結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1紫外-可見光譜

不同萃取劑與殘渣腐植酸的紫外可見光譜如圖4所示，同時以上海撫生實業(yè)的色譜純腐植酸(Control)紫外可見譜圖作為標準對照。腐植酸樣品的紫外可見譜圖均先增大后降低，并在220 nm 附近出現(xiàn)一個強吸收峰，是芳香苯環(huán)共軛雙鍵的π→π*躍遷產(chǎn)生的特征吸收帶E帶[13]。氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸最大吸收峰出現(xiàn)紅移，碳酸鈉萃取腐植酸由215 nm紅移至218 nm(圖4(a))，碳酸氫鈉萃取腐植酸由215 nm紅移至217 nm(圖4(b))，氨水萃取腐植酸由215 nm紅移至226 nm(圖4(c))，這可能是由于腐植酸為稠環(huán)芳烴，氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸環(huán)數(shù)增多，共軛鏈增長引起最大吸收峰紅移或是因為氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸存在多種發(fā)色團或助色團，如苯羥基、苯羧酸基、苯環(huán)和共軛雙鍵等，出現(xiàn)π→π*、n→π*躍遷[14]。

圖4 萃取劑萃取甲烷發(fā)酵(M)和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵(SM)殘渣腐植酸紫外可見光譜

圖6為不同萃取劑萃取甲烷發(fā)酵與氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵草本泥炭殘渣腐植酸在固定激發(fā)波長為274 nm下的熒光光譜圖。

表1 萃取劑萃取甲烷發(fā)酵和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵殘渣腐植酸E2/E4比值

不同萃取劑萃取腐植酸E2/E4比值不同，碳酸鈉、亞硫酸鈉萃取腐植酸的E2/E4比值較高，即分子量較低；碳酸氫鈉、氨水萃取腐植酸的E2/E4比值較低，即分子量較高。碳酸鈉、亞硫酸鈉萃取腐植酸分別具有最高的產(chǎn)率與含量，且其分子量均較低，易被微生物利用，應(yīng)為腐植酸較優(yōu)萃取劑。

2.4.2紅外光譜

本文設(shè)計了基于TMS320DM368的嵌入式聲源定位系統(tǒng),系統(tǒng)包括主處理器模塊、語音采集模塊、存儲模塊、電源模塊,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

選取吉林吉祥泥炭有限公司草本泥炭，經(jīng)研磨粉碎后過0.15 mm(100目)；氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氨水、亞硫酸鈉、鄰菲羅啉、重鉻酸鉀均為分析純，天津永晟精細化工有限公司；濃硫酸，北京化工廠。

圖5 萃取劑萃取甲烷發(fā)酵(M)和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵(SM)殘渣腐植酸紅外光譜

由圖5可知，在3 340、2 925、1 650、1 560、1 030 cm-1處，不同萃取劑萃取腐植酸吸收峰由強到弱依次為Na2CO3-M> NaHCO3-M> Na2SO3-M> NH3·H2O，表明碳酸鈉萃取腐植酸含有較多的羥基、亞甲基、羰基、苯環(huán)、醚鍵等官能團，根據(jù)含量測定結(jié)果碳酸鈉萃取腐植酸含量最高，應(yīng)為腐植酸最優(yōu)萃取劑。在2 360、2 340 cm-1附近，峰強度均按 Na2SO3-M> NH3·H2O> NaHCO3-M> Na2CO3-M依次降低，亞硫酸鈉萃取腐植酸含有較高的三鍵與累積雙鍵。

2.4.3熒光光譜

E2、E4分別為280、465 nm處的光密度，E2/E4是表征腐植酸組成結(jié)構(gòu)的重要指標，反映了腐植酸分子量，且呈負相關(guān)趨勢，即E2/E4值越大，分子量越小[15]。由表1可知，氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸的E2/E4明顯增大，碳酸鈉萃取腐植酸預(yù)處理由甲烷發(fā)酵的4.84增大至7.15，碳酸氫鈉萃取腐植酸預(yù)處理由4.62增大至6.13，氨水萃取腐植酸預(yù)處理由4.62增大至6.61，亞硫酸鈉萃取腐植酸預(yù)處理由4.83增大至6.37，表明氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸分子量更小，且不同萃取劑萃取腐植酸的E2/E4比值均大于標準對照的E2/E4，表明在甲烷發(fā)酵過程中，腐植酸側(cè)鏈被消耗利用，而氫氧化鈉預(yù)處理能促進這一過程，更多的腐植酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)被消耗利用，導(dǎo)致腐植酸分子量降低。

由圖6可以看出，腐植酸熒光光譜具有對稱性，呈先增加后降低趨勢，最大吸收峰在450～480 nm。經(jīng)氫氧化鈉預(yù)處理后腐植酸的最大熒光峰均發(fā)生藍移，碳酸鈉萃取腐植酸由459 nm 藍移至456 nm(圖6(a))，碳酸氫鈉萃取腐植酸由458 nm藍移至454 nm(圖6(b))，氨水萃取腐植酸由497 nm藍移至487 nm(圖6(c))，亞硫酸鈉萃取腐植酸由451 nm藍移至450 nm(圖6(d))，氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵會使殘渣腐植酸共軛體系增大?？赡苁怯捎谠跉溲趸c預(yù)處理甲烷發(fā)酵過程腐植酸中更多的脂肪碳鏈等結(jié)構(gòu)簡單化合物被消耗利用，導(dǎo)致氫氧化鈉預(yù)處理后腐植酸具有較高的芳構(gòu)化程度和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，表明氫氧化鈉預(yù)處理可以促進甲烷發(fā)酵過程，消耗利用更多腐植酸的脂肪族部分，這與總產(chǎn)氣量結(jié)果相吻合。

[3]布阿德福爾：《新小說派概述》，肖曼譯，柳鳴九編選：《新小說派研究》，北京：中國社會科學(xué)出版社，1986年，第493-494頁。

圖6 萃取劑萃取甲烷發(fā)酵(M)和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵(SM)殘渣腐植酸熒光光譜

不同萃取劑萃取腐植酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，甲烷發(fā)酵組與氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵組腐植酸最大吸收峰位置均按氨水、碳酸鈉、碳酸氫鈉、亞硫酸鈉順序依次降低?？赡苁怯捎谀嗵繗堅菜崤c不同萃取劑的陰離子發(fā)生配位。當腐植酸與不同萃取劑的陰離子結(jié)合后，若陰離子的負電荷越大，則推電子效應(yīng)越強，導(dǎo)致腐植酸的離域電子增多且共軛體系增大[20]。隨著萃取劑Na2CO3、NaHCO3、Na2SO3的陰離子所帶負電荷逐漸增多，從泥炭中萃取的腐植酸最大波長處均發(fā)生藍移。而氨水為共價化合物，能與腐植酸發(fā)生氨化作用[21]，使腐植酸共軛程度增大，熒光最大吸收峰位置最大。

3 結(jié) 論

1)泥炭甲烷發(fā)酵前采用氫氧化鈉進行預(yù)處理，甲烷總產(chǎn)量增長了1.12倍。該過程中腐植酸被微生物消耗利用來促進甲烷發(fā)酵進程，導(dǎo)致產(chǎn)率明顯降低，但對腐植酸含量影響較小。不同萃取劑萃取對腐植酸時，亞硫酸鈉萃取腐植酸產(chǎn)率最高，碳酸鈉萃取腐植酸含量最高。

2)甲烷發(fā)酵和氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵腐植酸的紫外可見光譜、紅外光譜、熒光光譜圖大致相似，僅峰強弱程度、出峰位置有所區(qū)別。氫氧化鈉預(yù)處理后紫外可見光譜紅移、熒光光譜藍移，紅外1 740～1 630、1 560～1 450 cm-1附近氫氧化鈉預(yù)處理后吸收峰腐植酸較強，3 340、2 925、2 360、2 340、1 040 cm-1處甲烷發(fā)酵腐植酸峰強度較高，表明氫氧化鈉預(yù)處理甲烷發(fā)酵消耗更多的羥基、脂肪碳鏈等結(jié)構(gòu)，而復(fù)雜的苯環(huán)、羰基等無法被消耗利用。

預(yù)防措施：在鉆孔施工前應(yīng)對該位置的地質(zhì)報告進行詳細研讀，重點分析地層交接的位置，采用此類經(jīng)驗相對較多的技術(shù)人員進行操作，通過以往經(jīng)驗進行有效規(guī)避。

3)不同萃取劑萃取對腐植酸結(jié)構(gòu)有影響，碳酸鈉萃取腐植酸含有較多的羥基、亞甲基、羰基、苯環(huán)、醚鍵等官能團，亞硫酸鈉萃取腐植酸含有較高的三鍵與累積雙鍵，氨水萃取腐植酸官能團含量均處于較低水平。

當該制造任務(wù)為獨立制造任務(wù)時，to即為其本身，該制造任務(wù)不存在子制造任務(wù)，可以表示為mtd(to)=mtd。