试验原料为稻秸秆，选自江苏省高邮市，粉碎后过100目筛，60 ℃烘干备用。原料的元素分析及工业分析见表1。试验试剂为硝酸、焦磷酸钠、氢氧化钠、重铬酸钾、硫酸等，所用试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

Proximate analysis /%					Ultimate analysis /%
$ {M}_{ar} $	$ {A}_{ad} $	$ {V}_{daf} $	$ {FC}_{daf} $		$ {N}_{ad} $	$ {C}_{ad} $	$ {H}_{ad} $	$ {O}_{ad} $	$ {S}_{ad} $
11.82	11.72	82.23	17.77		0.92	43.42	4.95	38.89	0.10

表 1  原料工业分析与元素分析

Table 1.  Proximate analysis and ultimate analysis of raw materials

取原料3.00 g置于三口烧瓶中，加入45 mL质量分数为5%的HNO₃溶液（溶液体积比原料质量为15/1（mL/g）），置于磁力搅拌器加热搅拌至80 ℃反应1 h，冷却抽滤分离，洗涤残渣至中性。过滤后测定滤液中的FA含量和滤渣中HA的含量。滤液在60 ℃烘箱中烘干得到FA，滤渣加入焦磷酸钠碱液水浴加热抽提2 h，冷却至室温过滤出反应余渣（Reaction Residue，RR），反复抽提至滤液无色。滤液中加入硫酸溶液调节pH=1，静置24 h，过滤出HA并在60 ℃烘箱中烘干。其他条件不变，分别调节HNO₃浓度、反应温度、反应时间和液固比，考察各个因素对HA、FA收率的影响。收率计算方法如下：

式中：$ {\eta }_{1} $：FA收率，%；$ {\eta }_{2} $：HA收率，%；$ {\eta }_{3} $：RR收率，%；$ {\omega }_{1} $：滤液中FA含量，%；$ {\omega }_{2} $：滤渣中HA的含量，%；$ m $：原料的质量，g；$ {m}_{1} $：滤液的质量，g；$ {m}_{2} $：滤渣的质量，g；$ {m}_{3} $：RR的质量，g；$ {A}_{ad} $：原料的灰分，%。

在单因素探究的基础之上，以活性较高的FA的收率为响应值，设计了四因素四水平的L₁₆（4⁴）的正交试验。选取HNO₃浓度、反应温度和液固比三个因素为正交试验考察的因素，设定反应时间1 h，并设置了空白组。正交试验设计因素及水平见表2。

FA含量测定采用NY/T 3162-2017《肥料中黄腐酸的测定 容量滴定法》^[16]测定，HA含量测定采用HG/T 3276-2012《腐植酸铵肥料分析方法》^[17]中容量法测定。

采用Vario Macro Cube（艾力蒙塔贸易（上海）有限公司生产）元素分析仪进行元素分析，分析基准为60 ℃烘干下的无灰基。

进行KBr压片，使用Nexus 470红外光谱仪（美国尼高力公司生产）对样品在4000 cm⁻¹~400 cm⁻¹进行扫描。

取产物溶于0.05 mol/L NaHCO₃溶液中配成200 mg/L的溶液，采用UV-754N紫外-可见光分光光度仪（上海佑科仪器仪表有限公司生产）进行光度扫描，扫描范围为190 nm~800 nm。

图1为HNO₃浓度对FA、HA和RR收率的影响。由图可得，随着HNO₃浓度的升高，FA的收率先升高再降低，在HNO₃浓度较低时FA的收率较高，HNO₃浓度为5%时收率为28.21%，HA和RR的收率随HNO₃浓度的升高降低。这是由于在HNO₃浓度为0.1%时，反应速率较慢，反应主要以秸秆氧化分解为分子量较大的HA而没有分解为分子量更小的FA，所以HA收率为28.12%而FA收率仅为2.52%。当HNO₃浓度由0.1%升高到5%，导致反应加快，促进HA分解为分子量较小的FA，导致HA收率的降低到17.31%，而FA收率的升高到29.20%。HNO₃浓度高于5%时，HNO₃对秸秆和HA的继续氧化和对FA大量分解导致了FA、HA和RR收率的下降。

图  1  HNO₃浓度对收率的影响

Figure 1.  Influence of concentration of nitric acid on yield

图2表示反应温度对FA、HA和RR收率的影响。由图可知，FA的收率随着温度的升高而升高，在反应温度为90 ℃时达到了32.93%，而HA和RR的收率随温度升高降低。表明提高温度可以促进HNO₃氧解秸秆生成HA，并加快分解大分子的HA为小分子的FA。当把反应温度提高至100 ℃时，HNO₃分解明显，释放出大量的棕红色气体，因此氧化温度不宜过高。

图  2  反应温度对收率的影响

Figure 2.  Influence of reaction temperature on yield

图3表示反应时间对FA、HA和RR收率的影响。由图可知，FA收率在30 min时达到30.60%后基本保持不变，HA和RR收率随时间的延长而略微下降。当反应时间为10 min时，RR的收率仅有51.05%，说明在加热阶段，秸秆中易于氧化水解的部分已经大量反应，而在10 min后RR的收率下降较慢，说明HNO₃与秸秆的反应很慢，主要反应为HA分解为FA、FA的分解及HNO₃对分解产物的硝化作用。

图  3  反应时间对收率的影响

Figure 3.  Influence of reaction time on yield

图4表示液固比对FA、HA和RR收率的影响,。由图可知，提高反应的液固比，FA和RR的收率略有升高但总体影响较小，FA收率维持在30%左右，HA收率降低亦不明显。由于秸秆密度较低，较低的液固比难以将秸秆完全浸没，所以无法将液固比降低到很低的水平，提高液固比，有提高了实际生产的经济成本和后续处理成本却收效甚微，因此将液固比维持在15/1（mL/g）以下较为合适。

图  4  液固比对收率的影响

Figure 4.  Influence of liquid to solid ratio on yield

由以上研究可知，HNO₃与秸秆的反应主要分为三个阶段：秸秆与首先分解为分子量较大的HA，其次HA继续分解为活性较高分子量较小的FA，最后FA彻底分解为CO₂和H₂O。秸秆硝解制备HA和FA的工艺条件中HNO₃浓度、反应温度和反应时间是对HA和FA收率影响较大，液固比对其收率的影响较小。HNO₃浓度由0.1%提高到5%，反应温度提升到90 ℃和延长反应时间均可以促进反应的进行，提高活性较高的FA的收率，超出这个范围就会造成过度氧化分解为CO₂和H₂O，所以实际工业生产中确定合理的HNO₃浓度、反应温度和反应时间尤为重要。降低液固比对减少经济成本亦有显著意义。

表3为正交试验FA和HA收率及关于FA收率的极差分析。由表3可知，对于FA的收率反应温度的极差最大，液固比的极差最小。即在限定的条件中，反应温度对FA收率影响最大，其次是HNO₃浓度，最后是液固比。在显著性水平为α=0.05的条件下，由F检验可确定，反应温度和HNO₃浓度对FA的收率有显著性影响，液固比对FA的收率无显著性影响。对照正交试验极差分析结果，确定在限定的条件下较优的FA制取工艺条件为：HNO₃浓度为5%、反应温度90 ℃、液固比为13/1。由于液固比对FA收率的影响并不明显，考虑到经济性因素，若应用于实际生产可以适当降低液固比。分析HA收率的极差和方差可得到的类似的结论，HNO₃浓度和温度对HA收率具有显著性影响，液固比对HA收率影响不大。

按照正交试验得到的制备FA较优的工艺条件进行了4次试验，FA的收率分别为32.80%、32.04%、32.58%、33.12%，其平均收率在32.63%左右。在该条件下的HA的收率分别为12.46%、13.12%、12.84%、12.66%，平均收率约为12.77%。

表4为对较优条件下得到的FA和HA进行元素分析的结果。HA和FA的主要组成元素为C、H、O、N、S及金属元素^[18]，通常情况下，较低的碳含量和较高的氧含量表明其活性较高^[19]，而C/H和C/O比则分别表征了其芳香化程度和酸性官能团含量。由表4可知，此工艺下的FA碳含量在36.82%左右，相较于煤炭FA的48%~50%^[20]处于较低的水平，而HA的C含量与煤炭HA相比也表现处较低的水平，表明了其具有较高的活性。FA的C/O约为0.88，HA的C/O为1.93，都小于2，表明其结构中具有较多的酸性基团。HA的C/H约为0.73与FA的0.78大致相当，接近于1,表现出明显的芳香特征，这一特征表明其溶解后易于释放H⁺，导致出现明显电荷，对金属元素活泼，易于与Fe³⁺、Pb²⁺等重金属离子发生反应生成稳定的复合物^[21]，在土壤修复领域会有较高的利用价值。

图5为HA和FA的红外光谱图，分析图谱可知，在3450 cm⁻¹、2360 cm⁻¹、1790 cm⁻¹、1740 cm⁻¹、1640 cm⁻¹、1390 cm⁻¹、667 cm⁻¹存在吸收峰。各吸收峰归属如下：3450 cm⁻¹（氢键缔合OH）；2360 cm⁻¹（羧酸的氢键缔合−OH）；1790 cm⁻¹（羧酸酐对称）；1740 cm⁻¹（羧基中的C＝ O）；1640 cm⁻¹（芳香共轭双键，C＝ C，C＝ O）；1390 cm⁻¹（硝基）；667 cm⁻¹（磺基、硫醇基等振动）。FA红外光谱分析表明，产物表现出较为明显的芳香结构，符合黄腐酸的基本结构特征。羧基、羟基等酸性官能团是芳核的侧链或桥碳原子被氧化的结果，印证了HNO₃的氧化作用，硝基的吸收峰则证明了HNO₃对秸秆的硝化作用。HA红外光谱较FA而言在1790 cm⁻¹_、1740 cm⁻¹_、1390 cm⁻¹处的吸收峰不明显。

图  5  产物的红外光谱图

Figure 5.  Infrared spectrum of the product

图6为产物的紫外-可见光谱。E4/E6是FA在465 nm和665 nm处吸光度的比值，是腐植酸和黄腐酸的特征常数。郑平^[22]认为。E4/E6与其共轭程度有关，包括芳香环的共轭程度和羧基的共轭程度，共轭程度与E4/E6的大小呈负相关。FA的E4/E6为13.87，HA的E4/E6为8.47，相较于煤基黄腐酸表现出较低的共轭程度，则意味着秸秆即FA和HA拥有更小的分子量和更高的活性。由图可知，FA的紫外-可见光谱显示在230 nm处有一个明显的特征峰，而HA的特征峰略微靠后，这可能是其中的芳香烃经过取代造成的，在300 nm之后没有明显的特征峰。

图  6  产物的紫外-可见光谱图

Figure 6.  UV-visible spectrum of the product

（1）通过单因素分析和正交试验对HNO₃氧化稻秸秆制取FA和HA的工艺进行了探究，结果表明，一定程度提高HNO₃浓度，升高反应温度和延长反应时间可以促进秸秆分解为HA和HA进一步分解为FA，提高FA的收率，液固比对收率影响较小。

（2）正交试验得到的FA收率较高的条件为：HNO₃浓度5%、反应温度90 ℃、液固比13/1（mL/g），此条件下反应1 h时FA的平均收率约为32.63%，该条件下HA的收率为12.77%。

（3）对产物进行元素分析表明，HA和FA的C/O分别为0.87和1.93，表明其具有丰富的O，因此具有较强的活性，FA和HA的C/H分别为为0.78和0.73，接近于1，表明其具有明显的芳香结构。红外光谱分析表明FA具有硝基黄腐酸的结构特征，证明了HNO₃的氧化和硝化作用，而HA的硝基不明显。紫外-可见光谱分析得到FA的E4/E6为13.87，HA为8.47，均高于矿源FA和HA。