腐植酸類功能材料的研究進展

史 博 易菊珍 張黎明*

(1 中山大學化學與化學工程學院 廣州 510006 2 廣東石油化工學院 茂名 525000)

腐植酸是自然界廣泛存在的一種天然高分子生物質材料，分子結構中含多種官能團，對金屬離子和有機化合物具有典型的絡合、螯合、離子交換、吸附等功能，還可用于其他材料的化學或物理改性[1]。利用腐植酸制備的功能材料已經廣泛應用于農林牧、石油、化工、建材、醫藥衛生、環保等各個領域，特別是當前有關生態農業建設、無公害農業生產、綠色食品、無污染環保產品等對技術的極大需求，更促使“腐植酸”這類天然材料得到大力發展[2]。本文主要介紹和評述了近年來國內外有關腐植酸類功能材料在環保、油氣開采、農林保水、抗氧化新功能開發方面的研究進展，以期為腐植酸類材料進一步開發應用提供參考。

1 用于環保廢水處理的腐植酸類功能材料

腐植酸分子的可能結構之一如圖1所示[3]。腐植酸主要含有羧基、胺基、羥基等官能團，這些基團可以對金屬、有機污染物進行離子交換、絡合或吸附，因此腐植酸類功能材料在含金屬的工業廢水處理、印染廢水處理方面具有廣闊的應用前景。然而，腐植酸本身具有良好的水溶性，用于吸附水相介質中的金屬離子往往需要通過焙燒法、交聯法、化學改性法等將腐植酸轉化為不溶于水的材料才能起到較好的吸附效果[4]。

1.1 焙燒法制備腐植酸類功能吸附材料

魏振等[5]將腐植酸經過330 ℃高溫焙燒1 h后使其表面羧基部分脫水，然后再經2 mol/L氯化鈣和1 mol/L硝酸鈉處理后用于金屬鈾的吸附；腐植酸經過高溫焙燒后在pH>10.5時才在水中發生溶解，焙燒后的腐植酸發生了部分脫水，原有的腐植酸顆粒尺寸變小，孔隙數量增加，提供了金屬吸附更多的孔道；吸附試驗發現，鈾濃度為1.98×10-4mol/L時，腐植酸最佳用量為0.015 g。但該方法制備得到的腐植酸類吸附材料，在吸附性能方面一般弱于經交聯、共聚改性制備的腐植酸類吸附材料。

1.2 化學改性法制備腐植酸類功能吸附材料

交聯法制備腐植酸類功能吸附材料具有易于實施的優勢。賀燕等[6]將腐植酸磺化后與脲醛樹脂交聯制備了吸附樹脂，并對Cr2+進行了吸附試驗，獲得的交聯腐植酸吸附材料(磺化腐植酸∶脲醛樹脂=0.4∶1)在4 h后對Cr2+(1 mg/L)達到0.19 mg/g的吸附量。劉靜欣等[7]采用環氧氯丙烷與腐植酸發生交聯反應，得到了交聯的腐植酸吸附樹脂；環氧氯丙烷交聯后的腐植酸對水體(pH=4，3.5 h)中鉛離子(200 mg/L)的吸附量達到90%；當pH=10時，對鉛離子的吸附接近100%，其吸附容量遠高于焙燒后腐植酸以及不溶性腐植酸的吸附量，有望應用于含鉛量較高的重金屬工業廢水處理，且不需要調節pH，避免二次污染。謝水波等[8]采用戊二醛對海藻酸鈉和腐植酸進行交聯，獲得了交聯海藻酸鈉固定化的腐植酸多孔薄膜，通過研究該多孔薄膜對水體中金屬鈾的吸附，發現該多孔薄膜對水體中金屬鈾(200 mg/L)的吸附(pH=6，25 ℃，60 min)可達到312.5 mg/g，研究結果顯示，當溶液pH值升高時，溶液中H+濃度降低，促使吸附材料表面形成較多的負電荷位點，利于金屬離子的吸附。

采用共聚法獲得的腐植酸類功能吸附材料吸附效果較為突出。夏良樹等[9]通過制備鋁-柱膨潤土，然后浸泡于腐植酸液體中進行化學插層，制備了腐植酸類鋁-柱膨潤土(HA-Al-PILC)功能吸附材料，有關技術路線如圖2所示；研究結果表明，吸附條件為pH=6，吸附時間150 min，鋁-柱膨潤土經插層后獲得的腐植酸類鋁-柱吸附材料(1 g/L)對水相中鈾(50 mg/L)的去除率由鋁-柱膨潤土的91.63%增加到96.9%；當鈾初始濃度為210 mg/L時，腐植酸類鋁-柱膨潤土功能吸附材料的吸附量達到100 mg/g；當鈾濃度10～50 mg/L時，腐植酸類鋁-柱膨潤土功能吸附材料對鈾的去除率達到90%以上。因此，腐植酸類鋁-柱膨潤土功能吸附 材料對于低濃度的含鈾廢水非常有效。

易菊珍等[10]合成的水凝膠采用過硫酸鉀作為引發劑、N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯劑、丙烯酰胺和腐植酸作為聚合原材料，在粘土存在條件下于65 ℃下反應6 h得到了不同腐植酸含量、粘土含量的雜化水凝膠，并進行了亞甲基藍的吸附試驗；采用場發射掃描電鏡(FESEM)對含有粘土的干凝膠和溶脹凝膠進行觀察(圖3)，結果發現加入了粘土的凝膠具有完整而致密的網狀結構，當凝膠吸水溶脹并冷凍干燥后仍顯現了完整的網絡狀結構，表明粘土的加入提高了凝膠骨架的強度；該凝膠樣品的紅外光譜顯示，腐植酸組分與聚丙烯酰胺鏈段之間存在氫鍵相互作用；水凝膠對染料分子的吸附試驗表明，該雜化水凝膠與亞甲基藍染料之間通過離子相互作用而實現吸附作用，且腐植酸組分含量越高(3%～10%)，吸附亞甲基藍量越大。

Tang等[12]采用乳液聚合法制備了蒙脫石/丙烯酸/腐植酸復合吸附材料，并在金屬離子和芳環化合物共存條件下對該材料的吸附性能進行了研究；結果表明，丙烯酸鈉和腐植酸的接枝共聚物對蒙脫石可起到插層作用，插層后蒙脫石的層間距由2.69 nm增至6.79 nm，對于Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、菲、芘的吸附量(25 ℃，4 h)分別可達到1666.7 mg/g、666.7 mg/g、303.0 mg/g、454.6 mg/g、18.45 mg/g、3.3 mg/g，并且菲、芘的吸附量在其他金屬離子共存條件下并沒有受到影響，這為成分復雜的工業廢水處理提供了新途徑。

2 用于油田降濾失的腐植酸類功能材料

腐植酸類制劑屬于天然有機處理劑，主要在調整鉆井液流變性、降濾失性和頁巖分散抑制劑等方面發揮作用。當腐植酸類降濾失劑與聚合物類型處理劑并用時，其降濾失性可以得到大幅度提升[13]。

楊莉等[14]制備了腐植酸類降濾失劑并探討了有關降濾失作用機理，認為生石灰與磺化褐煤(SMC)可生成不溶性膠質腐植酸鈣，當用于鉆井液性能調節時，能使泥餅薄而細致，滲透性??；當鉆井液中Ca2+流失時，腐植酸鈣膠質進行解離釋放出Ca2+，對于防止井壁的頁巖泥巖膨脹、坍塌具有較好的效果；對有關腐植酸類降濾失劑進行性能測試，發現所配制的鉆井液經180 ℃老化后的降失水性能完全滿足鉆井和完井工藝技術要求，其中由0.3%的腐植酸類降濾失劑所配制的鉆井液防濾失性最佳，即使在鹽濃度為30%時仍具有良好的降濾失性和造壁性。

陶士先等[15]曾將腐植酸類降濾失劑與其他降濾失劑進行了對比，有關性能對比數據如表1所示；其中，GCL-1/2、SPNH均為引入了合成類聚合物成分的高分子量腐植酸類降濾失劑，與較低分子量腐植酸類降濾失劑(SN和SMC)相比，其常溫及高溫降濾失性能更優。

表1 腐植酸類降濾失劑性能比較[15]Tab.1 Property comparisons for the fi ltration reducers based on humic acid

采用聚合物接枝處理可以制備腐植酸類耐高溫鉆井液降濾失劑，在鉆井液中可起到分散顆粒的作用，并能在濾餅形成時填補大顆粒和小顆粒之間的空隙，通過增加濾餅密度來降低濾失量。鮑允紀[16]在褐煤中提取腐植酸后，與尿素、甲醛、苯酚和磺酸鈉等制備了脲醛樹脂改性的抗高溫、抗鹽降濾失劑并用于鉆井液處理；通過180 ℃的抗高溫實驗，發現鉆井液中壓濾失量為7 mL、高溫高壓濾失量為14 mL、降粘率為85.3%；腐植酸含量在5%～10%變化時，中壓濾失量從7 mL升至10 mL，高溫高壓濾失量介于14～17 mL之間，均符合鉆井工藝要求。王中華[17]將腐植酸與丙烯

酰氧丁基磺酸(AOBS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)進行接枝聚合反應，制備了腐植酸含量為34%的腐植酸多元接枝共聚物；發現該接枝共聚物用量為1%時，所配制的鉆井液在240 ℃處理16 h后，其濾失量可降至10 mL以內。

3 用于農業抗旱保水的腐植酸類功能材料

腐植酸是土壤肥力的重要指標之一，具有吸水溶脹的特點。但吸水后原有分子間作用力形成的物理結構將被破壞，如直接用于土壤保水劑反而使土地板結更快。將腐植酸進行交聯或共聚后結構穩定性和吸水保水能力將獲得提升[18]。此外，腐植酸類保水劑能調控氮肥、磷肥在土壤中的溶解性，可促進植物生長，在春耕時作為種子發芽的保水肥料對于我國農業發展具有特殊的意義。

Cihlar等[19]通過小分子交聯(圖4)制備了腐植酸類保水功能材料，并對其保水作用機理進行了研究，發現交聯后的腐植酸分子間距離增加，水分子以納米液滴形式在分子間架橋，進而形成Prusova[20]所述的水滴凝集通道，Cihlar還發現交聯后的腐植酸剛性分子骨架使外界水分子進入凝膠網絡的分子弛豫時間分布更加均一，利于水分子進入網狀結構中，提高了吸水保水能力，且交聯后的腐植酸保水能力是交聯前腐植酸保水能力的3倍。

Gao等[21]則通過腐植酸與丙烯酸、丙烯酰胺一類合成單體進行接枝共聚交聯制備腐植酸類保水功能材料，該類材料對去離子水和0.9%鹽水的吸附量分別為1180 g/g和110 g/g，半飽和吸附時間為6.5 min，整個吸附過程較快；當腐植酸用量大于10%時，反應不完全的腐植酸則以填料形式存在于樹脂網絡中；通過掃描電鏡觀察(圖5)，發現引入腐植酸的水凝膠網狀結構更為致密，保水效果更好。采用類似合成策略，鄭易安等[22]亦制備了基于腐植酸與丙烯酸的保水功能樹脂。

此外，蔡京榮[23]采用反向懸浮乳液聚合方法制備了聚丙烯酰胺-腐植酸鈉高吸水樹脂，同時進行了沙土保水性實驗：發現當沙土中含有0.2%聚丙烯酰胺-腐植酸鈉樹脂時，其飽和吸水量達到混合土質量的74%，而聚丙烯酰胺吸水樹脂的飽和吸水量為沙土質量的41%，這表明聚丙烯酰胺-腐植酸鈉能夠使沙土的貯水能力顯著提高；將聚丙烯酰胺-腐植酸鈉吸水樹脂在40 ℃下干燥7天，混合土中仍含有23%的水分，保水率為29.1%；而加入了聚丙烯酰胺吸水樹脂的參比沙土只含有0.56%的水分，保水率僅為1.5%。

最近，Bishai等[24]將腐植酸與聚乳酸(PLA)混合，經平擠法制備得到了可生物降解復合薄膜，同時考察了該類復合膜的表面特性，發現其中的腐植酸組分可通過氫鍵對水分子進行束縛；該復合膜在8個星期后，較之單一PLA膜(PLA膜在吸附觀察期內吸水率均小于5%)，其吸水率提高了90.5%；采用原子力顯微鏡對該類復合膜和單一PLA膜在吸附水后的表面形貌進行了觀察和比較(圖6)，發現含有腐植酸組分的復合膜(b和f)表面粗糙度較單一PLA膜(a和e)顯著增加，腐植酸的親水基更多裸露在薄膜表面；當吸附水更長時間后，這些表面形貌特征更為明顯；由此表明，腐植酸組分的引入可賦予該類薄膜材料一定的保水性能，該類復合膜有望發展成為一類具有抗旱保水功能的農用地膜。

4 腐植酸抗氧新功能的開發

腐植酸類功能材料的近期研究主要集中在環保廢水處理、油田降濾失、農林抗旱保水等方面，而腐植酸分子結構中多種官能團的存在使其在抗氧性能、抗炎癥及治療方面的應用也獲得了人們的關注，近年來已有關于腐植酸抗氧化功能的研究報道。

Bishai等[24]對腐植酸和聚乳酸(PLA)的復合薄膜材料研究中發現，腐植酸的引入對薄膜的機械性能、熱性能、抗氧化性能和吸附性能有較大影響；腐植酸組分引入后，該類復合薄膜的熱分解溫度較純PLA膜提高了45 ℃，即腐植酸在PLA膜中起到了輔助抗氧化作用，延遲了PLA薄膜的熱氧化降解。

Ku?erík等[25]將聚乙烯醇(PVA)與腐植酸鹽共混成膜后進行了有關熱性能研究，發現腐植酸鹽加入量為2%時，可使PVA膜的熱分解溫度由225 ℃升高到245 ℃，表明腐植酸的加入對PVA起到了輔助抗熱氧降解的作用；不僅如此，添加了腐植酸鹽的PVA膜開始降解時，能夠相對較快地完成降解并獲得更低的殘炭率。Il?in等[26]通過伽馬射線輻照和紅外光譜分析，還驗證了腐植酸鹽的加入對于輻照引起的降解也能起到一定的抑制作用。

關于腐植酸輔助抗氧功能的研究目前尚處探索階段，能否在一定程度上利用腐植酸取代一些有毒的合成類抗氧劑而用于高分子膜材料的研究與開發，將是一項有意義的研究工作。

5 小結

傳統的腐植酸類材料的研究主要集中在金屬離子吸附、保水等與環境和農業相關的應用領域，關于腐植酸類功能新材料研究大多較為分散且處于探索階段，因此利用腐植酸的功能性將其制備成功能材料并推向市場應用是未來腐植酸行業發展的方向之一。

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