一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法技术

本发明专利技术公开了一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法。该方法包括如下步骤：1)提取不同堆肥阶段的腐殖酸；2)使用红外光谱仪测定各堆肥阶段腐殖酸的红外光谱数据；3)将各堆肥阶段新出现的红外光谱数据导入2Dshige软件，以堆肥时间为扰动变量，分别输出同步和异步光谱数据，并分别以同步和异步光谱的红外波长为横坐标和纵坐标作图，分别得到随堆肥时间扰动的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱；4)通过解析规则解析堆肥阶段的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱，得到堆肥过程中腐殖酸的演变顺序。

A Method for Characterizing Humic Acid Synthesis in Composting Process

The invention discloses a method for characterizing the synthesis of humic acid in composting process. The method includes the following steps: 1) extracting humic acid at different composting stages; 2) determining the infrared spectra of humic acid at different composting stages by infrared spectroscopy; 3) importing the infrared spectroscopy data emerging at each composting stage into the 2Dshige software, taking composting time as perturbation variable, outputting synchronous and asynchronous spectroscopic data, and taking the infrared wavelengths of synchronous and asynchronous spectroscopy as transverse respectively. The synchronous and asynchronous two-dimensional correlation maps of humic acid perturbed with composting time were obtained by plotting coordinates and ordinates. 4) The synchronous and asynchronous two-dimensional correlation maps of humic acid in composting stage were analyzed by analytic rules, and the evolution sequence of humic acid in composting process was obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法
本专利技术涉及堆肥
，尤其涉及一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法。
技术介绍
堆肥是有机废弃物减量化、资源化、无害化的最有效途径之一，是将可生物降解的有机物质转化为一种完全稳定的、具有微生物抗性的腐殖质过程。堆肥腐殖质包括腐殖酸、富里酸和胡敏素，其中腐殖酸的含量和芳香化程度直接影响堆肥产品的质量和腐熟度。因此，对腐殖酸的形成和演化过程进行表征，对如何提高堆肥品质、加速堆肥腐熟具有十分重要的意义。堆肥过程中，酚型化合物、醌型化合物及脂肪族化合物是腐殖质形成最主要的前提物质，通过复杂的反应机制形成结构复杂、大分子量大的腐殖酸物质。因此，对其结构的演变表征具有比较大的难度。红外光谱(FTIR)能够提供有机物官能团组成信息，且操作简单，是研究腐殖酸化学结构演变的常用手段。然而，采用红外光谱分析会导致不同官能团重叠，且容易掩盖一些官能团的变化，通过人眼观测很难对腐殖酸的结构演变做出精准判别。卜贵军等[1]利用红外光谱结合二维相关分析研究了堆肥过程胡敏酸、富里酸的组成、结构及随时间演化规律，红外光谱显示：堆肥胡敏酸和富里酸均含有木质素来源的苯环和糖类结构，但胡敏酸还含有丰富的脂族和蛋白类结构，这些在富里酸中含量较低，堆肥过程糖类、脂类、蛋白类及木质素结构均发生了降解，但是在胡敏酸和富里酸中他们的降解优先顺序不同，二维相关光谱分析表明：胡敏酸中降解先后顺序为脂肪类-蛋白类-多糖类和木质素，而富里酸中为蛋白质-多糖和脂肪类，降解过程均生成了羧酸、酮类和酯类结构，其中羧酸类物质一部分在堆肥中形成了碳酸盐，研究结果表明，红外光谱结合二维相关分析不仅可以获得堆肥腐殖酸官能团组成，还可以揭示堆肥过程这些官能团降解顺序，确定堆肥腐殖酸合成机制和动力学过程。然而，这种方法只能从分解的角度探索堆肥中腐殖质的演变，无法精准的确定堆肥腐殖酸合成的顺序，只能从分解角度阐释蛋白和脂肪类物质的转变；此外，在分析腐殖酸形成快慢的过程中，其无法对不同堆肥工艺的腐殖酸合成做出判断，也无法精准地判断不同堆肥工艺的腐熟度的差异。因此，急需一种更为精准全面的方法来表征腐殖酸在堆肥过程中的演变过程。参考文献：[1]卜贵军,于静等.红外光谱结合二维相关分析研究堆肥过程腐殖酸演化规律[J].光谱学与光谱分析.2015(35):362-366.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法。本专利技术通过对堆肥过程中新出现的基团进行研究解析，能精准地判断堆肥中腐殖酸的演变过程，同时还能通过判断腐殖酸合成过程中的氧化和缩聚反应发生的前后和程度判断堆肥腐熟度的差异。具体而言：一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法，包括如下步骤：1)提取不同堆肥阶段的腐殖酸；2)使用红外光谱仪测定各堆肥阶段腐殖酸的红外光谱数据；3)将各堆肥阶段新出现的红外光谱数据导入软件，以堆肥时间为扰动变量，分别输出同步和异步光谱数据，并分别以同步和异步光谱的红外波长为横坐标和纵坐标作图，分别得到随堆肥时间扰动的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱；4)通过解析规则解析堆肥阶段的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱，得到堆肥过程中腐殖酸的合成顺序。优选地，步骤1)中提取腐殖酸的步骤为：在堆肥中加入碱，振荡离心提取，得提取液，重复提取至堆肥溶液的上清液不再出现黄色，合并提取液，调节提取液为中强酸性或以上，得沉淀为腐殖酸。优选地，上述重复提取3～6次。优选地，上述中强酸性或以上为pH≤2。优选地，上述碱的浓度0.1～0.5mol/L。优选地，上述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾或其组合。优选地，步骤2)中腐殖酸和KBr的质量比为1：100。优选地，步骤2)中红外光谱扫描的波数范围为4000～400cm-1，优选地，步骤2)中红外光谱的分辨率为4cm-1。优选地，步骤2)中红外光谱扫描的次数为64次。优选地，步骤4)中所述的解析规则为：同步光谱解析：位于同步二维相关图谱对角线上的峰为自发峰、位于对角线两侧的同步二维相关光谱峰称作交叉峰，随着堆肥时间的扰动，对对角线左上方区域而言，交叉峰为正值则表示两个基团c1和c2的变化一致；反之则认为c1和c2基团的变化相反；异步光谱解析：随着堆肥时间的扰动，对对角线左上方区域而言，c1和c2的交叉峰为正值则c1的吸收光强度变化快于c2，如果c1和c2的交叉峰为负值则c2的吸收光强度变化快于c1；综合同步和异步谱图的解析结果，若c1和c2的符号相同，则表明基团c1的变化快于基团c2，若c1和c2的符号相反，则表明基团c2的变化快于c1，以此判断基团的演变过程。本专利技术的有益效果是：本专利技术结合红外光谱与二维相关分析从物质合成的角度出发，通过不同基团的伸缩振动分析堆肥过程中各物质与腐殖酸结合形成新腐殖酸来研究腐殖酸的演变过程，从该研究角度出发能更精准全面地探析腐殖酸的形成过程，同时还能通过判断腐殖酸合成过程中的氧化和缩聚反应发生的前后和程度判断堆肥的腐熟度以及不同堆肥条件下腐熟度的差异。附图说明图1为实施例1不同堆肥阶段腐殖酸的同步二维红外图谱；图2为实施例1不同堆肥阶段腐殖酸的异步二维红外图谱；图3为实施例2不同堆肥阶段腐殖酸的同步二维红外图谱；图4为实施例2不同堆肥阶段腐殖酸的异步二维红外图谱。具体实施方式下面进一步列举实施例以详细说明本专利技术。同样应理解，以下实施例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，本领域技术人员根据本专利技术阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本专利技术的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。实施例1堆肥样品为郑州王新庄堆肥厂的污泥高温堆肥样品，采用如下表征方法：1)腐殖酸的提取：分别将第0天、7天、18天和36天的堆肥样品置于浓度为0.1mol/L的盐酸中除去水溶性和酸溶性物质，后加入浓度为0.3mol/L的氢氧化钠溶液，振荡离心提取，得提取液，重复提取3～6次，至堆肥样品溶液的上清液黄色消失，合并提取液，调节提取液的pH≤2，得沉淀用超纯水洗涤至中性，后在冷冻干燥仪中冷冻干燥备用；2)红外光谱测定：分别称取2mg上述不同阶段堆肥中的腐殖酸，分别与200mgKBr混合研磨，采用NicoletNexus红外光谱仪结合NicoletOmnic6.0软件进行测定，分辨率为4cm，扫描波数范围为4000～400cm-1，扫描次数为64，分别获得红外图谱，初步分析腐殖酸的演变顺序，结果表明：脂肪类和蛋白类物质减少，芳香类物质增多；3)二维红外光谱相关分析(2D-FTIR-COS)：将上述不同阶段的堆肥腐殖酸新出现的红外光谱数据导入2Dshige软件中，以堆肥时间为扰动变量，分别输出同步和异步光谱数据，并分别以同步和异步光谱的波长为横坐标和纵坐标通过origin2017作图，分别得堆肥的腐殖酸随堆肥时间扰动的同步和异步二维相关图谱(见图1和图2)；4)解析腐殖酸同步和异步二维相关图谱：图1中的颜色表明基团转变的强度，颜色越浅表示强度越强，如出现负值表明腐殖酸合成方向不一致；图2暗红至红色表示为负值，黄色至偏白表示为正值，正负值表示基团变化的快慢情况。同步光谱分析(图1)：其中有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)提取不同堆肥阶段的腐殖酸；2)使用红外光谱仪测定各堆肥阶段腐殖酸的红外光谱数据；3)将各堆肥阶段新出现的红外光谱数据导入软件，以堆肥时间为扰动变量，分别输出同步和异步光谱数据，并分别以同步和异步光谱的波长为横坐标和纵坐标作图，分别得到随堆肥时间扰动的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱；4)通过解析规则解析堆肥阶段的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱，得到堆肥过程中腐殖酸的演变顺序。

【技术特征摘要】
1.一种表征堆肥过程中腐殖酸合成的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)提取不同堆肥阶段的腐殖酸；2)使用红外光谱仪测定各堆肥阶段腐殖酸的红外光谱数据；3)将各堆肥阶段新出现的红外光谱数据导入软件，以堆肥时间为扰动变量，分别输出同步和异步光谱数据，并分别以同步和异步光谱的波长为横坐标和纵坐标作图，分别得到随堆肥时间扰动的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱；4)通过解析规则解析堆肥阶段的腐殖酸的同步和异步二维相关图谱，得到堆肥过程中腐殖酸的演变顺序。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中提取腐殖酸的步骤为：在堆肥中加入碱，振荡离心提取，得提取液，重复提取至堆肥溶液的上清液不再出现黄色，合并提取液，调节提取液为中强酸性或以上，得沉淀为腐殖酸。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述碱的浓度为0.1～0.5mol/L。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：重复提取3～6次。5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾或其组合。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：余震，刘晓明，王跃强，汤佳，汪威武，周顺桂，
申请(专利权)人：广东省生态环境技术研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44