分子量不同的奥德里奇腐植酸的官能团及其反应活性

分子量不同的奥德里奇腐植酸的官能团及其反应活性

Tadao Tanaka1　著　张志国2　译

(1　日本原子能机构核安全研究中心　茨城　319-1195　2　华东理工大学化学与分子工程学院　上海　200237)

摘　要：本文研究了奥德里奇公司提供的腐植酸和钴60的络合能力与腐植酸分子大小的关系。同时本文还研究了腐植酸的结构对两者络合作用的影响。在腐植酸浓度较低时，钴60与分子量大于100k Da[HA(100<)]的腐植酸相互作用，随着腐植酸浓度的增加，钴60倾向于与分子量在30 K到100 K Da[HA(30～100)]之间的腐植酸相互作用。本文用FTIR(傅里叶变换红外光谱)，13C核磁共振光谱和酸碱滴定曲线表征分离出来的HA(100<)和HA(30～100)。实验发现，HA(10<)具有脂肪支链结构，-COOH较小，且具有较大的质子交换能力，该腐植酸成分在络合过程中共价键作用较小，离子交换作用起主要作用。此外，支链卷曲造成的空间位阻作用能影响两者的络合作用。HA(30～100)结构中以芳香-COOH和-OH为主，因此与钴60相互作用是以形成共价键为主，本文用XPS测定了钴和腐植酸间的结合能，其结果证实了前面的假设。

关键词：腐植酸　官能团　分子大小　络合作用　钴

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状态的天然物质大都含有腐殖质，这些腐殖质是由于微生物降解土壤中的生物质形成的，腐植酸是这些产物的主要成分之一，且在二次降解过程中很稳定。此类腐植酸对金属有较强的螯合作用，因此它们显著影响放射性物质和重金属在自然环境中的溶解，吸附和传输过程。从地球化学的角度看，了解从污染源释放到环境中的放射性物质和重金属与腐植酸之间的反应活性是很重要的。而腐植酸分子的大小对迁移行为有特别重要的影响。

根据前述研究目的，很多学者报道了腐植酸分子大小对其在土壤中的吸附能力和与放射性物质相互作用的影响。为了彻底阐明腐植酸大小对其络合性能的影响，鉴于奥德里奇公司的腐植酸目前已经被广泛用于腐植酸样品的标准，本文中我们研究了从奥德里奇公司提供的腐植酸中分离出的几个不同腐植酸分子大小组分与钴60的相互作用。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)，交叉极化魔角旋转核磁共振光谱(CAP/MAS 13C NMR)和酸碱滴定法表征了这些分子量分布不同的腐植酸的官能团。

1　实验部分

1.1　腐植酸的制备

本文根据Nash等人提出的方法，将购于奥德里奇公司的腐植酸进一步提纯，以除去其中的腐黑物，黄腐酸和灰分。将提纯后的腐植酸粉末溶于少量浓度为0.1 mol/L的氢氧化钠溶液中，然后用浓度为0.01 mol/L的硝酸钠溶液稀释该溶液直至腐植酸浓度达到所需要的值。

表征腐植酸时，用连续超滤技术将腐植酸分为两部分：名义分子量在30000～100000 Da之间的腐植酸HA(30～100)和分子量大于100000的腐植酸HA(100<)。每个馏分都用0.1 mol/L的盐酸溶液质子化，冷冻干燥后用FTIR、CAP/MAS 13C NMR和酸碱滴定分析。

1.2　络合实验

将0.1 mL浓度约为104 Bq/mL的放射性钴60溶液(无载体)加到10 mL前述配制浓度范围在1～130 mg/L的腐植酸溶液中，溶液的离子强度用硝酸钠溶液调节至0.01，用盐酸或氢氧化钠将溶液的pH值调节至5.5，以防止形成氢氧化钴。所用样品用水浴保温，在25 ℃下轻柔搅拌7天，然后用孔径为450 nm的滤膜对样品预过滤后，使用美国密理博公司(Millipore)的过滤器将分子量为30000 Da和100000 Da的样品再次过滤。过滤得到的样品中的钴60的浓度用美国坎培拉公司(ORTEC)的γ-射线确定，过滤样品中溶解态有机碳的浓度用日本岛津公司(SHIMADZU)提供的UV-240紫外分光光度仪确定。

1.3　腐植酸的表征

用于FTIR测量的腐植酸样品通过以下方式制备：将50 mg分离得到的腐植酸粉末与500 mg光谱纯的KBr混合，将该混合物用玛瑙球研钵深度研磨后手动压制成片，使用日本分光公司(JASCO)提供的VALOR-III红外光谱仪测量样品的红外吸收光谱。

将分离后的腐植酸粉末用氯化钾颗粒分散后用于测量固态13C核磁共振光谱(13C NMR)，本文使用交叉极化魔角旋转核磁共振光谱测量，使用日本电子公司(JEOL)提供的CSH270型核磁谱仪，磁场强度为67.8 MHz，使用脉宽为4 μs的90度脉冲测量。测量时，设定接触时间为4 ms。以甲基氢位移为17.36 ppm的六甲氧基苯为外标。

本文用酸碱滴定法测定其可交换质子容量。在25.0 ℃下，将10 mg分离得到的腐植酸放到滴定池中，用足量浓度为0.01 mol/L的氢氧化钠溶液溶解。在滴定过程中，滴定池用氮气保护，以防止其吸收大气中的二氧化碳，样品用0.01 mol/L的盐酸溶液从pH=11开始滴定，整个滴定过程中保持离子强度为0.01。

1.4　络合物XPS测量

用于XPS(X光电子能谱)测量的样品配制方法与络合物配制方法一致。将10 mg分离得到的HA(100<)和HA(30～100)样品溶解在1 mL浓度为0.1 mol/L的氢氧化钠溶液中，配得样品的总体积为1.8 mL，pH值为8。然后将0.1 mL浓度为2 mol/L的Co2+溶液加到腐植酸溶液中，配得总体积为2 mL pH值为8的混合溶液。将样品在25 ℃水浴中轻微搅拌24 h，将混合了Co2+的HA(100<)溶液用10000 Da的Millipore过滤器过滤，将混合了Co2+的HA(30～100)溶液用30000 Da的Millipore过滤器过滤。用少量去离子水洗涤收集得到的糊状腐植酸钴盐，然后将其在60℃的烘箱中干燥一夜。

腐植酸钴盐以及参照物(CoCl2，Co(NO3)2，Co(Ac)2，CoO)的XPS谱通过JEOL公司提供的JPS-9010MC型配备镁x-射线源(MgKα=1253.6 eV)光电子能谱测量。将干燥的样品粉末放到一个碳管中。设定扫描能为100 w，常量通过能20 eV，步长0.1 eV，对每个样品扫描200次。XPS的峰位置设定为每个峰半峰高的中间值，并用284.6 eV外源碳的1s线校正。

2　结果与讨论

2.1　腐植酸与钴60的相互作用

图1显示的是在各个分子量馏分下，钴60与腐植酸浓度百分比之间的关系。尽管参与相互作用的腐植酸百分比随其浓度增加而下降，但是可以看出，当腐植酸浓度小于几个mg/L时，50%的钴60倾向于与HA(100<)相互作用。随着腐植酸浓度的增加，HA(30～100)馏分增加，当其浓度大于几个mg/L时，钴60倾向于与HA(30～100)相互作用，这表明与HA(30～100)相比，钴60以较弱的相互作用如静电作用与HA(100<)发生相互作用。钴60与分子量在5000～30000之间的腐植酸相互作用不受其浓度的影响。

图1　钴60的百分含量与各个尺寸下的腐植酸浓度的关系

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

2.2　腐植酸的官能团

分子大小不同馏分的FTIR光谱如图2所示。各个峰所对应官能团的位置如下所示：3400～3000 cm-1之间的宽峰为氢键和O-H的伸缩振动峰。2970和2850 cm-1之间的双重峰和1470 cm-1附近的单峰对应为脂肪链的吸收峰，1720处的强吸收代表质子化的羧酸和酮中的C=O，1610 cm-1处的尖峰和1400到1500 cm-1之间的弱且宽峰为苯环上C=C的伸缩振动峰。1400 cm-1处明显的吸收峰可能是酚中的OH扭曲和C-O键伸缩振动引起的，羧酸中的OH扭曲和C-O伸缩振动在1300～1200 cm-1处造成一个弱吸收峰。

图2　按分子大小分离的腐植酸FTIR谱图

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

HA(100<)与HA(30～100)的吸收峰最明显的差异是在2970～2850 cm-1和1470 cm-1处没有脂肪链。与HA(100<)相比，HA(30～100)在1610 cm-1和1500～1400 cm-1处显示由于苯环中C=C键的存在而使吸光度增加。这种光谱上的显著差异表明腐植酸的反应官能团与其分子大小有关。当前的红外光谱表明，HA(100<)中的主要反应官能团为脂肪-COOH(和-OH)而HA(30～100)中的主要反应官能团是芳香-COOH。

图3是HA(100<)和HA(30～100)的13C固态核磁共振光谱。各个峰所对应的基团列于表1。尽管13C核磁共振光谱数据不能用于精确定量分析，但是我们可以将我们感兴趣的烷基链和芳香环对应的碳的核磁峰进行积分，然后对比分析腐植酸各个馏分之间的差别，如表1所示。从表1中的数据可以看出，HA(100<)中的碳主要为脂肪链碳，而HA(30～100)中的碳主要为芳香环中的碳。HA(30～100)中的反应性-COOH对应的碳峰面积大于HA(100<)中的。

图4是各个腐植酸馏分的酸碱滴定曲线。从中可以分析得到各个馏分的质子化能力和其pKa值。从图4中可以看出，每个馏分的滴定曲线都有两个不明显的等当量点。第一个等当量点似乎对应-COOH，而第二个可能对应的是-OH。本文测定了腐植酸各个馏分中-COOH和-OH的当量值以及其对应的pKa，列于表2中。这些数据表明，与HA(30～100)相比，HA(100<)的质子交换能力更高，是一种更弱的酸。然而HA(100<)中第二个等当量点对应的-COOH数比HA(30～100)少。该结果与FTIR和13C NMR得到的结果一致。

表征结果表明，HA(100<)具有支链脂肪族结构，含有的-COOH数目较少，质子交换能力较高，而HA(30～100)中则以芳香-COOH和-OH为主。

2.3　络合能力与腐植酸官能团之间的关系

为了阐明腐植酸的络合能力与其大小的关系，我们在腐植酸络合实验和表征分析的基础上提出了一个交互作用模型。图5是钴与腐植酸交互作用的模型示意图。图中Co表示以共价键作用的钴物种，而Co2+表示以离子键形式作用的钴。HA(100<)具有支链脂肪族结构，且-COOH数量较少，质子交换能力强，因此该馏分似乎具有较低的共价键作用能力，而离子交换能力比较高。在低腐植酸浓度范围，钴离子不能与腐植酸配位结合，而是与较大的腐植酸馏分以静电相互作用。相反，在较高的浓度范围内，由于大部分的钴能与足够的腐植酸结合，静电相互作用大大降低。

在HA(30～100)中以芳香-COOH和酚-OH为主的假设基础上，我们认为HA(30～100)倾向于与钴配位。在HA(30～100)体系中，钴60的浓度可能随腐植酸浓度的增加而增加，如图1所示。此外，由于支链能够随机卷曲，因此随着腐植酸浓度增加，这种现象造成的空间位阻作用可能影响HA(100<)与钴的络合作用。从空间位阻的角度看，相对于HA(100<)，HA(30～100)更倾向于与钴配位结合。

图3　按大小分离的腐植酸13C固态核磁共振谱图

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

表1　大小不同的腐植酸组分中碳结构的13C核磁共振波谱表征

图4　按分子大小分离的腐植酸的酸碱滴定曲线

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组分中的-COOH和-OH的等当量点以及它们的pKa

图5　钴与腐植酸交互作用模型示意图

Fig.5 Schematic diagram on interaction model between Co and humic acid
注：图中Co代表以共价键作用形成内球络合物；Co2+代表以离子键作用形成外球络合物。

从图5中可以看出，通过共价键键合的腐植酸钴盐可能形成内球络合物，而通过离子键合的腐植酸钴盐则可能形成外球络合物。

本文通过XPS测量钴(2p3/2)的结合能来阐明钴与分子量不同的腐植酸相互作用机制。腐植酸钴盐以及多种钴化合物的XPS图如图6所示，通过XPS谱得到的钴(2p3/2)列于表3。钴与HA(100<)的相互作用能与氧化钴类似，这说明钴和HA(100<)之间有少量的电荷转移。XPS的结论支持图5中所提出的交互作用模型的某些假设。

表3　XPS谱图中各种钴化合物的钴(2P3/2)结合能

图6　腐植酸钴盐和其他钴化合物的XPS谱图

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

3　结论

本文研究了不同腐植酸的大小对腐植酸与钴60相互作用的影响。结果表明，腐植酸的分子大小对其与钴的相互作用有较大关系。分子量分布不同的腐植酸馏分各有不同的分子结构和官能团。

分子较大的腐植酸中主要含有脂肪族碳结构，与重金属主要通过共价键和相对较弱的离子作用而结合。较小的腐植酸主要以芳环为主，与金属通过共价键相互作用。考虑到络合作用和(或)空间位阻，腐植酸大小对络合作用的依赖性可能不仅仅是由两种不同的官能团引起的。

参考文献(略)

译自：Thermochimica Acta，2012，532：60～64。