所谓腐植酸的提取(萃取)、分离和分级,不是指得到纯化合物,而只是企
图把它们从原料中和无机矿物质及非腐植酸的有机成分分离开来。但由于腐植酸
是具有很强络合、吸附性能的胶体物质,要去尽其中的金属离子、硅酸盐等矿物
质是不容易的。因此,分离、分级和纯化,仍然是企图得到无机质很少、组分相
对均一、分子结构相对接近的一族组分,而不是单独化合物。本节主要从实用角
度介绍这方面的处理技术。
2.1 萃取剂
为有效提取出腐植酸,首要条件是充分切断腐植酸与各种金属的结合键,破
坏与非腐植物质的极性、非极性吸附力、氢键缔合力等的作用,萃取剂的选择是
关键因素。选择萃取剂的原则包括:1)应具有高极性和高介电常数,以利于荷
电分子的分散;2)分子尺寸小,以利于渗入腐植酸结构中;3)能破坏已存在
的氢键而代之以HA-溶剂间的氢键;4)能固定金属阳离子。
符合上述条件的的萃取剂种类很多,包括强碱液、中性盐、有机酸盐、有机
溶剂和有机螯合物5类。但Stevenson特别强调,萃取过程一要完全,二要普
遍适用,三要不改变腐植酸组成性质。所以,较适用的提取剂是强碱或某些无机
盐( NaOH、 KOH、 Na2CO3、Na4P2O7)、有机碱,包括EDTA(乙二胺
四乙酸钠盐)、 EDA(乙二胺)、 DMF(二甲基甲酰胺)、 DMSO(二甲基
亚砜)等。
一般来说,NaOH和KOH的萃取率最高,其萃取过程属离子交换反应,简
化反应式为:
HA(COOH)n + nNaOH→HA(COONa)n + nH2O
高钙镁腐植酸一般用焦磷酸钠(Na4P2O7)萃取,这是因为Na4P2O7能
把与HA结合的等离子置换出来,形成可溶性的HA钠盐和不溶性的焦磷酸盐(复
分解反应),反应式为:
HA[COOMe(OH)2]m(COOCa1/2)n-m+[(n-m)/4]Na4P2O7→HA[COOMe(
OH)2]m(COONa)n-m +[(n-m)/4]Ca2P2O7↓
Na2S和Na2CO3也可萃取高钙镁腐植酸。事先用稀盐酸浸泡此类原料,
用水洗涤,脱除高价金属离子后再用碱液提取腐植酸,萃取率更高些,但存在
HCl的污染处理问题。大多数中性盐和有机溶剂作萃取剂,主要用于研究,生产
上实用意义不大。含氮有机试剂作提取剂,还可能被腐植酸不可逆吸附、改变其
分子组成结构。
2.2 提取和分离技术
作为一般应用腐植酸的生产, ,可以不过分考虑腐植酸组成结构的变化,可
在苛刻条件下萃取腐植酸。但用于实验研究所用样品的制取,就必须慎重。腐植
酸与非腐植物质的夹带、SiO2胶体的溶出、自动氧化、结构分解、氨基-羰基缩
合等化学变化,都可能影响腐植酸的组成,以致同一个腐植酸样品在不同条件下
萃取的元素组成、分子量、官能团、结构参数大相径庭。因此,萃取条件既要温
和,尽可能使原始HA组成性质不发生太大变化,其操作条件的掌握是至关重要
的。大致要点是:
1、游离腐植酸提取。一般用0.1~0.5mol/L的NaOH, 固/液比1:3~1:5, 室
温下通氮气操作, 尽量避免与氧接触;
2、高钙镁腐植酸的提取。一般用0.1mol/L的Na4P2O7溶液(pH≈7);对
极难分离的土壤HA,也可用0.1mol/LNa4P2O7+0.1mol/LNaOH(pH13)提取;
3、有的高钙镁低级别煤中的黄腐酸可用阳离子交换树脂、无机酸、丙酮-
水-HCl(H2SO4)混合液提取;
4、与Fe3+、Al3+等高价离子或其水合氧化物络合的腐植酸复合物,只有
用强螯合剂(EDTA-Na等)、DMSO+1%HCl、10%乙酰丙酮+无水蚁酸等分离
和提取HA;
5、如果想要从土壤和其它物质中直接提取腐植酸的金属-有机络合物,可选
用Na型Dowex A-1(亚氨二乙酸型)树脂。
6、泥炭、有机土壤,甚至某些褐煤中含有一定数量的类脂物质和沥青质
(主要为高级脂肪酸的酯类),会干扰腐植酸的萃取,应事先用苯、甲苯或苯-
乙醇混合液处理予以脱除。
7、泥炭事先用5%HCl处理易水解物;有机土壤中非腐植物质(主要是半
纤维素、一些多肽及含氮有机物),应事先用6mol/L HCl在90℃下降解。但水
解使HA发生较大化学变化,并损失达40%,更不适用于黄腐酸的分离和提取。
8、用离子交换树脂(或膜)、分子吸附膜从水中分离腐植酸,其中XAD-8
树脂(非离子型大孔甲基丙烯酸甲酯树脂)吸附最有效,可有效地排除糖类、肽
以及化学结合的金属离子;国产的GDX-102是类似的吸附树脂。
9、用超声波处理、机械活化、物理分选等等方法对原料预处理, 均可有效
提高萃取率。用1M HF事先处理土壤,可大大腐植酸提取率。
2.3 纯化
不同方法萃取出来腐植酸几乎都含有较多的无机质。粗腐植酸的纯化主要是
脱除无机质,俗称“脱灰”,方法有:
1、物理絮凝:在HA的碱提取液中添加适量的Na2SO4,促进细分散的无
机胶体加快絮凝沉淀,通过离心或过滤,再用HCl调到pH~1.5, 加热,水洗,
一般可得到灰分<5%的腐植酸;
2、化学法:1g腐植酸放入0.5ml浓HCl+0.5ml 48%HF+99ml水的混合液
中, 室温下振摇24~48h,水洗到无Cl-离子。此法可有效脱除Fe、Al、Si,使
灰分降至1%以下;也可用NaOH-H2SO4-HNO3依次处理,使无机成分先分别
形成硅酸钠、偏铝酸钠、氧化铁等,再用酸溶解、沥滤;
3、黄腐酸(FA)与无机盐的分离和精制。现有的部分技术是:1)渗析或
电渗析法:用半透膜可有效分离无机盐与水溶腐植酸,但难分离络合或强吸附的
腐植酸-金属有机化合物;2)H型吸附树脂(如羧酸型Ambertite IR-120、磺酸
型Dowex-50)吸附FA,用碱液脱附FA,再用阳离子树脂吸附,用醚提取,可
得低灰分的FA[91];4)用表面活性剂吸附分离;3)用Fe3+、Al3+、Pb2+等
高价金属离子沉淀FA,再用强螯合剂(如双苯硫腙)络合,在pH7的腐植酸溶
液中加入阳离子表面活性剂(如溴化多米砜 DB),使其与FA形成离子对,然
后抽提脱除DB;5)溶剂分离:用HCl处理腐植酸钠、水洗脱酸后,再依次用
乙醇和水提取FA。
4、无论腐植酸还是黄腐酸,浓缩、干燥时最容易发生化学变化,故处理温
度应<70℃,最好是减压浓缩和冷冻干燥。
2.4 IHSS土壤腐殖质综合分离法
国际腐殖质协会(IHSS)制定的土壤腐殖质的综合分离法是迄今唯一的腐
植酸(HA)样品统一处理方法,基本上遵循了上述条件温和、萃取充分、溶质-
溶剂无不可逆作用等原则。操作过程如下:
将土壤过2.0mm筛,按1:10(质量/体积,即M/V)加入1M HCl,使达
到pH1~2,室温下振荡1h,离心,上清液分出FA(a)。在残留物中按1:10
(M/V)加入1M NaOH,在氮气氛下混合、振荡4h,静置过夜,离心,除去残
渣,用6mol/L HCl将提取液调到pH~1,静置12h,离心,上清液分出FA(b)。
在N2气氛下将沉淀出来的腐植酸(HA)用尽量少的0.1M KOH重新溶解,高
速离心,加6M HCl调到pH~1,沉淀12~16h,离心,弃去清液,残留的HA用
0.1M HCl+0.3M HF混合液,室温下振荡过夜,离心,反复用HCl+HF处理,使
HA灰分<1.0%。再通过透析膜或透析管,使AgNO3检测不出Cl-,冷冻干燥。
合并(a)、(b)两份黄腐酸溶液,用XAD-8树脂吸附FA,弃去残留液,依次
用0.1M NaOH和水洗脱, 流出液立即用6M HCl调到pH~1.0,使FA仍留在溶
液中。然后将溶液通过H+饱和的离子交换树脂,冷冻干燥得H+饱和的FA。