分子量不同的奧德里奇腐植酸的官能團(tuán)及其反應(yīng)活性

Tadao Tanaka1　著　張志國2　譯

(1　日本原子能機(jī)構(gòu)核安全研究中心　茨城　319-1195　2　華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院　上?！?00237)

摘　要：本文研究了奧德里奇公司提供的腐植酸和鈷60的絡(luò)合能力與腐植酸分子大小的關(guān)系。同時本文還研究了腐植酸的結(jié)構(gòu)對兩者絡(luò)合作用的影響。在腐植酸濃度較低時，鈷60與分子量大于100k Da[HA(100<)]的腐植酸相互作用，隨著腐植酸濃度的增加，鈷60傾向于與分子量在30 K到100 K Da[HA(30～100)]之間的腐植酸相互作用。本文用FTIR(傅里葉變換紅外光譜)，13C核磁共振光譜和酸堿滴定曲線表征分離出來的HA(100<)和HA(30～100)。實驗發(fā)現(xiàn)，HA(10<)具有脂肪支鏈結(jié)構(gòu)，-COOH較小，且具有較大的質(zhì)子交換能力，該腐植酸成分在絡(luò)合過程中共價鍵作用較小，離子交換作用起主要作用。此外，支鏈卷曲造成的空間位阻作用能影響兩者的絡(luò)合作用。HA(30～100)結(jié)構(gòu)中以芳香-COOH和-OH為主，因此與鈷60相互作用是以形成共價鍵為主，本文用XPS測定了鈷和腐植酸間的結(jié)合能，其結(jié)果證實了前面的假設(shè)。

關(guān)鍵詞：腐植酸　官能團(tuán)　分子大小　絡(luò)合作用　鈷

Functional Groups and Reactivity of Size-fractionated Aldrich Humic Acid

Tadao Tanaka1 write Zhang Zhiguo2 translate

(1 Nuclear Safety Research Center, Japan Atomic Energy Agency, Shirakata 2-4, Tokai, Naka, Ibaraki, Japan, 319-1195　2 School of Chemistry and Molecular Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai, 200237)

Abstract: The complexation affinity of the Aldrich Chemicals humic acid with 60Co was  examined with respect to molecular size of humic acid.Correlations between the  affinity and the structures of humic acid were studied.At low humic acid  concentration range, 60Co was interacted with the humic acid of size fraction over  100k  Da  (HA(100<)).With increasing humic acid concentration, the 60Co was  preferentially interacted with the 30 k–100 k Da of humic acid (HA(30-100)). Fractionated HA(100<)and HA(30-100)were characterized from their FTIR  (Fourier Transform Infra-Red), 13C NMR spectral analyses and acid–base titration  curves.The HA(10<)having aliphatic branched structure, smaller amount of COOH  group  and large proton exchangeable capacity, seem to show low covalent bonding nature and high ion exchangeability in the complexation.In addition, steric  hindrance may affect on the complexation, by winding up like random coils from  the branched structure.The HA(30-100)is dominated with the aromatic COOH group  and OH group and it may preferentially coordinate to 60Co by covalent binding. These presumptions were supported by XPS analysis, in which the binding energy of  cobalt-humates was discussed.

Key words: humic acid; functional groups; molecular size; complexation; cobalt

天然地下水中所含有的溶解狀態(tài)的天然物質(zhì)大都含有腐殖質(zhì)，這些腐殖質(zhì)是由于微生物降解土壤中的生物質(zhì)形成的，腐植酸是這些產(chǎn)物的主要成分之一，且在二次降解過程中很穩(wěn)定。此類腐植酸對金屬有較強(qiáng)的螯合作用，因此它們顯著影響放射性物質(zhì)和重金屬在自然環(huán)境中的溶解，吸附和傳輸過程。從地球化學(xué)的角度看，了解從污染源釋放到環(huán)境中的放射性物質(zhì)和重金屬與腐植酸之間的反應(yīng)活性是很重要的。而腐植酸分子的大小對遷移行為有特別重要的影響。

根據(jù)前述研究目的，很多學(xué)者報道了腐植酸分子大小對其在土壤中的吸附能力和與放射性物質(zhì)相互作用的影響。為了徹底闡明腐植酸大小對其絡(luò)合性能的影響，鑒于奧德里奇公司的腐植酸目前已經(jīng)被廣泛用于腐植酸樣品的標(biāo)準(zhǔn)，本文中我們研究了從奧德里奇公司提供的腐植酸中分離出的幾個不同腐植酸分子大小組分與鈷60的相互作用。通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)，交叉極化魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振光譜(CAP/MAS 13C NMR)和酸堿滴定法表征了這些分子量分布不同的腐植酸的官能團(tuán)。

1　實驗部分

1.1　腐植酸的制備

本文根據(jù)Nash等人提出的方法，將購于奧德里奇公司的腐植酸進(jìn)一步提純，以除去其中的腐黑物，黃腐酸和灰分。將提純后的腐植酸粉末溶于少量濃度為0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液中，然后用濃度為0.01 mol/L的硝酸鈉溶液稀釋該溶液直至腐植酸濃度達(dá)到所需要的值。

表征腐植酸時，用連續(xù)超濾技術(shù)將腐植酸分為兩部分：名義分子量在30000～100000 Da之間的腐植酸HA(30～100)和分子量大于100000的腐植酸HA(100<)。每個餾分都用0.1 mol/L的鹽酸溶液質(zhì)子化，冷凍干燥后用FTIR、CAP/MAS 13C NMR和酸堿滴定分析。

1.2　絡(luò)合實驗

將0.1 mL濃度約為104 Bq/mL的放射性鈷60溶液(無載體)加到10 mL前述配制濃度范圍在1～130 mg/L的腐植酸溶液中，溶液的離子強(qiáng)度用硝酸鈉溶液調(diào)節(jié)至0.01，用鹽酸或氫氧化鈉將溶液的pH值調(diào)節(jié)至5.5，以防止形成氫氧化鈷。所用樣品用水浴保溫，在25 ℃下輕柔攪拌7天，然后用孔徑為450 nm的濾膜對樣品預(yù)過濾后，使用美國密理博公司(Millipore)的過濾器將分子量為30000 Da和100000 Da的樣品再次過濾。過濾得到的樣品中的鈷60的濃度用美國坎培拉公司(ORTEC)的γ-射線確定，過濾樣品中溶解態(tài)有機(jī)碳的濃度用日本島津公司(SHIMADZU)提供的UV-240紫外分光光度儀確定。

1.3　腐植酸的表征

用于FTIR測量的腐植酸樣品通過以下方式制備：將50 mg分離得到的腐植酸粉末與500 mg光譜純的KBr混合，將該混合物用瑪瑙球研缽深度研磨后手動壓制成片，使用日本分光公司(JASCO)提供的VALOR-III紅外光譜儀測量樣品的紅外吸收光譜。

將分離后的腐植酸粉末用氯化鉀顆粒分散后用于測量固態(tài)13C核磁共振光譜(13C NMR)，本文使用交叉極化魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振光譜測量，使用日本電子公司(JEOL)提供的CSH270型核磁譜儀，磁場強(qiáng)度為67.8 MHz，使用脈寬為4 μs的90度脈沖測量。測量時，設(shè)定接觸時間為4 ms。以甲基氫位移為17.36 ppm的六甲氧基苯為外標(biāo)。

本文用酸堿滴定法測定其可交換質(zhì)子容量。在25.0 ℃下，將10 mg分離得到的腐植酸放到滴定池中，用足量濃度為0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液溶解。在滴定過程中，滴定池用氮氣保護(hù)，以防止其吸收大氣中的二氧化碳，樣品用0.01 mol/L的鹽酸溶液從pH=11開始滴定，整個滴定過程中保持離子強(qiáng)度為0.01。

1.4　絡(luò)合物XPS測量

用于XPS(X光電子能譜)測量的樣品配制方法與絡(luò)合物配制方法一致。將10 mg分離得到的HA(100<)和HA(30～100)樣品溶解在1 mL濃度為0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液中，配得樣品的總體積為1.8 mL，pH值為8。然后將0.1 mL濃度為2 mol/L的Co2+溶液加到腐植酸溶液中，配得總體積為2 mL pH值為8的混合溶液。將樣品在25 ℃水浴中輕微攪拌24 h，將混合了Co2+的HA(100<)溶液用10000 Da的Millipore過濾器過濾，將混合了Co2+的HA(30～100)溶液用30000 Da的Millipore過濾器過濾。用少量去離子水洗滌收集得到的糊狀腐植酸鈷鹽，然后將其在60℃的烘箱中干燥一夜。

腐植酸鈷鹽以及參照物(CoCl2，Co(NO3)2，Co(Ac)2，CoO)的XPS譜通過JEOL公司提供的JPS-9010MC型配備鎂x-射線源(MgKα=1253.6 eV)光電子能譜測量。將干燥的樣品粉末放到一個碳管中。設(shè)定掃描能為100 w，常量通過能20 eV，步長0.1 eV，對每個樣品掃描200次。XPS的峰位置設(shè)定為每個峰半峰高的中間值，并用284.6 eV外源碳的1s線校正。

2　結(jié)果與討論

2.1　腐植酸與鈷60的相互作用

圖1顯示的是在各個分子量餾分下，鈷60與腐植酸濃度百分比之間的關(guān)系。盡管參與相互作用的腐植酸百分比隨其濃度增加而下降，但是可以看出，當(dāng)腐植酸濃度小于幾個mg/L時，50%的鈷60傾向于與HA(100<)相互作用。隨著腐植酸濃度的增加，HA(30～100)餾分增加，當(dāng)其濃度大于幾個mg/L時，鈷60傾向于與HA(30～100)相互作用，這表明與HA(30～100)相比，鈷60以較弱的相互作用如靜電作用與HA(100<)發(fā)生相互作用。鈷60與分子量在5000～30000之間的腐植酸相互作用不受其濃度的影響。

圖1　鈷60的百分含量與各個尺寸下的腐植酸濃度的關(guān)系

Fig.1 Relationship between percentages of 60Co and humic acid concentration in each size fraction

2.2　腐植酸的官能團(tuán)

分子大小不同餾分的FTIR光譜如圖2所示。各個峰所對應(yīng)官能團(tuán)的位置如下所示：3400～3000 cm-1之間的寬峰為氫鍵和O-H的伸縮振動峰。2970和2850 cm-1之間的雙重峰和1470 cm-1附近的單峰對應(yīng)為脂肪鏈的吸收峰，1720處的強(qiáng)吸收代表質(zhì)子化的羧酸和酮中的C=O，1610 cm-1處的尖峰和1400到1500 cm-1之間的弱且寬峰為苯環(huán)上C=C的伸縮振動峰。1400 cm-1處明顯的吸收峰可能是酚中的OH扭曲和C-O鍵伸縮振動引起的，羧酸中的OH扭曲和C-O伸縮振動在1300～1200 cm-1處造成一個弱吸收峰。

圖2　按分子大小分離的腐植酸FTIR譜圖

Fig.2 FTIR spectra of humic acids fractionated by molecular size

HA(100<)與HA(30～100)的吸收峰最明顯的差異是在2970～2850 cm-1和1470 cm-1處沒有脂肪鏈。與HA(100<)相比，HA(30～100)在1610 cm-1和1500～1400 cm-1處顯示由于苯環(huán)中C=C鍵的存在而使吸光度增加。這種光譜上的顯著差異表明腐植酸的反應(yīng)官能團(tuán)與其分子大小有關(guān)。當(dāng)前的紅外光譜表明，HA(100<)中的主要反應(yīng)官能團(tuán)為脂肪-COOH(和-OH)而HA(30～100)中的主要反應(yīng)官能團(tuán)是芳香-COOH。

圖3是HA(100<)和HA(30～100)的13C固態(tài)核磁共振光譜。各個峰所對應(yīng)的基團(tuán)列于表1。盡管13C核磁共振光譜數(shù)據(jù)不能用于精確定量分析，但是我們可以將我們感興趣的烷基鏈和芳香環(huán)對應(yīng)的碳的核磁峰進(jìn)行積分，然后對比分析腐植酸各個餾分之間的差別，如表1所示。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，HA(100<)中的碳主要為脂肪鏈碳，而HA(30～100)中的碳主要為芳香環(huán)中的碳。HA(30～100)中的反應(yīng)性-COOH對應(yīng)的碳峰面積大于HA(100<)中的。

圖4是各個腐植酸餾分的酸堿滴定曲線。從中可以分析得到各個餾分的質(zhì)子化能力和其pKa值。從圖4中可以看出，每個餾分的滴定曲線都有兩個不明顯的等當(dāng)量點。第一個等當(dāng)量點似乎對應(yīng)-COOH，而第二個可能對應(yīng)的是-OH。本文測定了腐植酸各個餾分中-COOH和-OH的當(dāng)量值以及其對應(yīng)的pKa，列于表2中。這些數(shù)據(jù)表明，與HA(30～100)相比，HA(100<)的質(zhì)子交換能力更高，是一種更弱的酸。然而HA(100<)中第二個等當(dāng)量點對應(yīng)的-COOH數(shù)比HA(30～100)少。該結(jié)果與FTIR和13C NMR得到的結(jié)果一致。

表征結(jié)果表明，HA(100<)具有支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)，含有的-COOH數(shù)目較少，質(zhì)子交換能力較高，而HA(30～100)中則以芳香-COOH和-OH為主。

2.3　絡(luò)合能力與腐植酸官能團(tuán)之間的關(guān)系

為了闡明腐植酸的絡(luò)合能力與其大小的關(guān)系，我們在腐植酸絡(luò)合實驗和表征分析的基礎(chǔ)上提出了一個交互作用模型。圖5是鈷與腐植酸交互作用的模型示意圖。圖中Co表示以共價鍵作用的鈷物種，而Co2+表示以離子鍵形式作用的鈷。HA(100<)具有支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)，且-COOH數(shù)量較少，質(zhì)子交換能力強(qiáng)，因此該餾分似乎具有較低的共價鍵作用能力，而離子交換能力比較高。在低腐植酸濃度范圍，鈷離子不能與腐植酸配位結(jié)合，而是與較大的腐植酸餾分以靜電相互作用。相反，在較高的濃度范圍內(nèi)，由于大部分的鈷能與足夠的腐植酸結(jié)合，靜電相互作用大大降低。

在HA(30～100)中以芳香-COOH和酚-OH為主的假設(shè)基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為HA(30～100)傾向于與鈷配位。在HA(30～100)體系中，鈷60的濃度可能隨腐植酸濃度的增加而增加，如圖1所示。此外，由于支鏈能夠隨機(jī)卷曲，因此隨著腐植酸濃度增加，這種現(xiàn)象造成的空間位阻作用可能影響HA(100<)與鈷的絡(luò)合作用。從空間位阻的角度看，相對于HA(100<)，HA(30～100)更傾向于與鈷配位結(jié)合。

圖3　按大小分離的腐植酸13C固態(tài)核磁共振譜圖

Fig.3 Solid-state 13C NMR spectra of humic acids fractionated by molecular size

表1　大小不同的腐植酸組分中碳結(jié)構(gòu)的13C核磁共振波譜表征

圖4　按分子大小分離的腐植酸的酸堿滴定曲線

Fig.4 Acid–base titration curves of humic acids fractionated by molecular size

表2　分子大小不同的腐植酸組分中的-COOH和-OH的等當(dāng)量點以及它們的pKa

圖5　鈷與腐植酸交互作用模型示意圖

Fig.5 Schematic diagram on interaction model between Co and humic acid
注：圖中Co代表以共價鍵作用形成內(nèi)球絡(luò)合物；Co2+代表以離子鍵作用形成外球絡(luò)合物。

從圖5中可以看出，通過共價鍵鍵合的腐植酸鈷鹽可能形成內(nèi)球絡(luò)合物，而通過離子鍵合的腐植酸鈷鹽則可能形成外球絡(luò)合物。

本文通過XPS測量鈷(2p3/2)的結(jié)合能來闡明鈷與分子量不同的腐植酸相互作用機(jī)制。腐植酸鈷鹽以及多種鈷化合物的XPS圖如圖6所示，通過XPS譜得到的鈷(2p3/2)列于表3。鈷與HA(100<)的相互作用能與氧化鈷類似，這說明鈷和HA(100<)之間有少量的電荷轉(zhuǎn)移。XPS的結(jié)論支持圖5中所提出的交互作用模型的某些假設(shè)。

表3　XPS譜圖中各種鈷化合物的鈷(2P3/2)結(jié)合能

圖6　腐植酸鈷鹽和其他鈷化合物的XPS譜圖

Fig.6 XPS spectra of Co-humates and various Co compounds

3　結(jié)論

本文研究了不同腐植酸的大小對腐植酸與鈷60相互作用的影響。結(jié)果表明，腐植酸的分子大小對其與鈷的相互作用有較大關(guān)系。分子量分布不同的腐植酸餾分各有不同的分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)。

分子較大的腐植酸中主要含有脂肪族碳結(jié)構(gòu)，與重金屬主要通過共價鍵和相對較弱的離子作用而結(jié)合。較小的腐植酸主要以芳環(huán)為主，與金屬通過共價鍵相互作用?？紤]到絡(luò)合作用和(或)空間位阻，腐植酸大小對絡(luò)合作用的依賴性可能不僅僅是由兩種不同的官能團(tuán)引起的。

參考文獻(xiàn)(略)

譯自：Thermochimica Acta，2012，532：60～64。