桉木化機漿制漿廢水多組分成分分析

（1）桉木化機漿制漿廢水中木質(zhì)素的提取

采用酸析法分離廢水中的木質(zhì)素。首先用硫酸調(diào)節(jié)廢水pH值為6，離心分離，收集沉淀物，再繼續(xù)將殘液調(diào)至pH值為2，離心分離，收集沉淀物，并用稀硫酸洗滌上層液體再次離心，重復洗滌2~3次，取沉淀物置于70℃真空干燥箱干燥，用研缽研碎，制得粗木質(zhì)素。取70 mL吡啶、10 mL醋酸溶液定容至100 mL，將粗木質(zhì)素溶于該溶液中，用100 mL三氯甲烷萃取，取分層后溶有木質(zhì)素的有機相。剩余殘液再次加入三氯甲烷萃取，重復上述操作。將2次萃取得到的有機相，移至足量無水乙醚中攪拌，去除殘留吡啶。置于真空干燥器中干燥，得到精制木質(zhì)素。

（2）木質(zhì)素含量測定

將廢水稀釋10倍，取稀釋后的廢水5 mL和DNS溶液2 mL，加去離子水定容至20 mL，以稀釋相同倍數(shù)的DNS溶液為參比，測定530 nm處的吸光度值，根據(jù)木質(zhì)素標準溶液濃度與吸光度值之間的線性關(guān)系曲線，計算廢水中的木質(zhì)素含量^[23]。

稱取一定質(zhì)量廢水使用上述酸析法分離出木質(zhì)素并過濾，向濾液中緩慢滴加4 mol/L的氫氧化鈉溶液，將pH值調(diào)至3，然后加入足量乙醇至有淡黃色絮狀物質(zhì)出現(xiàn)，靜置分層，底部有沉淀出現(xiàn)，用乙醇洗滌2~3次，將洗滌后的物質(zhì)放置于真空干燥箱中50℃干燥48 h，干燥后稱量質(zhì)量，記為m₂。根據(jù)公式(1)計算半纖維素含量。

式中，w為半纖維素含量；m₂為半纖維素質(zhì)量；m₁為廢水質(zhì)量。

（1）樣品制備和提取

取適量廢水上清液，用氮氣吹干，精確稱取吹干后的多糖樣品5 mg，在密封管中用三氟乙酸在121℃下水解2 h。用氮氣進行干燥。加入甲醇洗滌，然后吹干，重復甲醇洗滌2~3次。加入無菌水溶解，轉(zhuǎn)入色譜瓶中待測。

（2）HPAEC 條件

采用Thermo ICS5000離子色譜系統(tǒng)（Thermo Fisher Scientific，USA），利用電化學檢測器對單糖組分進行分析檢測。

采用Dionex? CarboPac? PA20（150×3.0 mm，10 μm）液相色譜柱；進樣量為5 μL。流動相A（0.1 mol/L NaOH），流動相B（0.1 mol/L NaOH，0.2 mol/L NaAc），流速0.5 mL/min；柱溫為30℃；洗脫梯度：0 min A相/B相（體積比95∶5），30 min A相/B相（體積比80∶20），30.1 min A相/B相（體積比60∶40），45 min A相/B相（體積比60∶40），45.1 min A相/B相（體積比95∶5），60 min A相/B相（體積比95∶5）。

（3）計算方法

樣品中各組分含量（μg/mL） = C·V·F

式中，C為儀器讀取濃度，μg/ml；V為樣品提取液體積，mL；F為稀釋因子。

稱取5 g廢水干燥得到的固形物于坩堝中，先于電爐上炭化至無白煙產(chǎn)生，移入馬弗爐中600℃灼燒，灰化至恒質(zhì)量時取出坩堝放入干燥器中冷卻，冷卻后稱其質(zhì)量。重復上述操作步驟，直至質(zhì)量恒定為止。

灰分含量計算如式(2)所示。

式中，W表示灰分含量，%；m₄表示空坩堝灼燒恒質(zhì)量，g；m₃表示灰渣和坩堝的總質(zhì)量，g；m表示廢水固體試樣的質(zhì)量，g。

除去木質(zhì)素和細小纖維。加10 mol/L硫酸調(diào)節(jié)pH值=2，使木質(zhì)素沉淀，然后用孔徑為0.45 μm濾膜過濾，截留木質(zhì)素沉淀，得到無木質(zhì)素的濾液。

（1）廢水中有機物的萃取

取500 mL無木質(zhì)素濾液，加入50 mL乙醚萃取，將萃取液移至具塞三角燒瓶中，重復上述步驟3~4次，加入少量無水硫酸鈉于萃取液中干燥過夜。將干燥后的萃取液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮至2 mL，進行GC/MS分析。

（2）檢測條件

色譜柱HP5MS石英毛細管柱，柱長30 m，柱內(nèi)徑0.25 mm，膜厚0.25 μm；色譜分離條件：柱溫40℃（保持5 min），再以5℃/min升溫到250℃（保持10 min）；進樣口溫度280℃；汽化溫度最高280℃；載氣（流量）He（1.0 mL/min）；分流比50∶1，進樣量1 μL；質(zhì)譜檢測器：EI源，電子能量70 eV，源溫230℃，掃描范圍35~500 amu（原子質(zhì)量單位）。

（1）樣品的制備

蒸發(fā)干燥無木質(zhì)素濾液，得到固體粉末，加入乙醇溶解，然后用膜過濾，得到溶于乙醇的有機物溶液，取少量置于樣品瓶中待測。

（2）檢測條件

色譜柱為Hypersil GOLD C18（50 mm×2.1 mm，1.9 μm），流動相為0.1%甲酸水-甲醇，洗脫梯度，洗脫液配比見表1。流速為0.3 mL/min，進樣體積2 μL，進樣室溫度4℃，柱溫30℃。

質(zhì)譜條件：離子源為ESI 源，正、負離子檢測模式，鞘氣壓力40 PSi；輔助氣體（N₂）壓力69 kPa；噴霧電壓3.5 kV；離子傳輸管溫度320℃；輔助氣溫度350℃；質(zhì)譜掃描范圍為100~1000 m/z，掃描模式：Full MS/dd-MS2。

廢水中的物質(zhì)組成以及分子基團可以通過使用紅外光譜儀進行測定，根據(jù)紅外吸收曲線中的各個吸收峰位置不同、吸收強度的不同及峰的歸屬推斷樣品中的化學基團，輔助驗證GC/MS以及HPLC/MS的檢測結(jié)果。按照廢水與溴化鉀以質(zhì)量比1∶100的比例使用瑪瑙研缽研磨，研磨過程始終保持干燥狀態(tài)，然后使用壓片機將研磨好的粉末壓制成均勻的圓形透明薄膜，使用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）進行紅外光譜測試，掃描范圍500~4000 cm^-1。

取木質(zhì)素1 g溶于100 mL DNS溶液，用去離子水定容至500 mL，制得濃度為2 g/L的木質(zhì)素標準溶液。向比色管中加入不同體積的木質(zhì)素標準液，用稀釋與廢水相同倍數(shù)的DNS溶液定容10 mL，配制成不同木質(zhì)素含量的溶液，用稀釋10倍的DNS為參比液測定波長530 nm吸光度值，以木質(zhì)素濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標作圖，得到木質(zhì)素濃度標準曲線，見圖1。由圖1可知，在一定濃度范圍內(nèi)，木質(zhì)素標準溶液濃度與吸光度間具有較好的線性關(guān)系。將廢水以DNS為溶劑稀釋合適倍數(shù)后測定其530 nm處的吸光度值，按標準曲線計算得出廢水中木質(zhì)素濃度為73 g/L。根據(jù)每升廢水質(zhì)量950 g，木質(zhì)素總質(zhì)量為73 g，木質(zhì)素占廢水總質(zhì)量的7.68％。

圖1  木質(zhì)素濃度標準曲線

Fig. 1  Standard curve of lignin concentration

經(jīng)過檢測，廢水主要組分包括木質(zhì)素、半纖維素、灰分等物質(zhì)，廢水中的固形物含量為17.89％左右，其中木質(zhì)素含量最多為73 g/L，占固形物含量的42.95％，半纖維素含量為33.4 g/L，灰分含量為64 g/L，分別占固形物含量的19.59%和37.46%。

根據(jù)上述可知，桉木化機漿制漿廢水中含有大量的木質(zhì)素、半纖維素，大量的木質(zhì)素會以氯化物的形式存在，是AOX的來源，對環(huán)境中的生物具有毒性。木質(zhì)素降解還會產(chǎn)生低分子質(zhì)量的脂肪酸及其他芳香族化合物，在后續(xù)的厭氧生化反應(yīng)中對微生物產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)。

根據(jù)GC/MS分析結(jié)果得出廢水中沸點較低的主要成分，對桉木化機漿制漿廢水進行GC/MS分析，采用面積歸一法進行計算，得出了桉木化機漿制漿廢水中所含的主要化學成分及其相對含量見表2。

由表2可以看出，桉木化機漿制漿廢水中沸點較低的物質(zhì)中，有機酸成分最多，包括丁酸、丙酸、苯甲酸等；酰胺類含有二十二烷酰胺、十九胺、苯甲酰胺3種成分；醛類和酮類主要包括1,5-二苯基-2H-1,2,4-三唑啉-3-硫酮、苯丙酮、苯甲醛；烷類含有十八烷、環(huán)庚硅氧烷、六甲基環(huán)三硅氧烷、七甲基-二（三甲基硅氧基）四氧烷、八甲基環(huán)四硅氧烷；氨基化合物主要為2-乙基吖啶；脂類化合物主要包括2-庚烯酸、4氨基-6-甲基-乙酯。

根據(jù)HPLC/MS分析結(jié)果得出廢水中沸點較高的主要成分見表3。

由表3知，桉木化機漿制漿廢水中的成分十分復雜，其中含有大量的有機酸類、胺類、酮類、芳香族化合物、烷烴類和雜環(huán)化合物等。其中烷烴類、芳香族化合物和雜環(huán)類化合物主要來源于木質(zhì)素大分子的降解，同時還有部分含有發(fā)色基團的有機物，使中段廢水顏色略深；且個別物質(zhì)所占比例較大，極易對后續(xù)的厭氧生化反應(yīng)產(chǎn)生影響。

圖2為桉木化機漿制漿廢水的FT-IR圖，表4是桉木化機漿制漿廢水紅外光譜吸收峰。根據(jù)紅外分析可知，3433 cm^-1處出現(xiàn)了歸屬于羥基中的O—H伸縮振動寬頻的強吸收峰，分析其中部分羥基來自于堿法制漿過程中所使用的氫氧化鈉，剩余部分羥基可能來源于桉木化機漿制漿廢水中的有機物。2089 cm^-1處是C≡C的伸縮振動引起的吸收峰。1636 cm^-1處為苯環(huán)的骨架振動產(chǎn)生的吸收峰，證明有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的存在。木質(zhì)素降解會產(chǎn)生低分子質(zhì)量的脂肪酸及其他芳香族化合物^[24]，因此，此處的吸收峰應(yīng)該是來源于制漿過程中木質(zhì)素降解產(chǎn)生的芳香族化合物的產(chǎn)物。1414 cm^-1處的吸收峰是由纖維素和半纖維素分子結(jié)構(gòu)的—OH和—CH₂剪切振動產(chǎn)生的。在1248 cm^-1處歸屬為紫丁香基苯環(huán)上C—H振動吸收峰。1114 cm^-1處產(chǎn)生的吸收峰歸屬于愈創(chuàng)木基的特征峰，酚、醇羥基O—H彎曲振動產(chǎn)生的，是典型的的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)紅外吸收峰。500~700 cm^-1處的吸收峰是酸O—H面外彎曲振動或苯環(huán)氫面外振動的吸收峰。因此，通過紅外光譜分析可得，桉木化機漿制漿廢水中存在的有機物包括芳香族化合物、醇類和酚類等；有機結(jié)構(gòu)包括羧基、羰基、羥基、苯環(huán)官能團等。輔助驗證了上述檢測方法對有機物檢測的準確性。

圖 2  桉木化機漿制漿廢水的FT-IR譜圖

Fig. 2  FT-IR spectrum of eucalyptus chemi-mechanical pulping wastewater

根據(jù)表2可知，桉木化機漿制漿廢水中含苯甲酰胺1.42%，二十二烷酰胺5.95%，以及其他酰胺物質(zhì)，這幾種分子含有生色團酰胺鍵（—CO—NH—），所測定出的多種酸類含有生色團羧基（—COOH），并且含有羥基（—OH）、氨基（—NH₂）等助色團，相互作用下導致廢水色度較高，且這些基團都是極性的，導致這些物質(zhì)易溶于水，在水中又會發(fā)生分散作用，從而導致廢水難以脫色。

除此之外，存在分子含有共軛不飽和鏈2-庚烯酸、4氨基-6-甲基-乙酯，其中一端含有供電子基如羥基（—OH）、氨基（—NH₂）或吸收電子基如亞硝基（—NO₂）的基團相連，而另一端與電性相反的基團相連，這種分子在吸收一定能量后，會發(fā)生極化并產(chǎn)生偶極矩，使價電子在不同的能級之間躍遷，從而形成不同的顏色。

根據(jù)HPAEC分析結(jié)果得出廢水中糖類成分見表5。

由表5可知，廢水中的糖包含了巖藻糖等糖類及部分糖醛酸，其中鼠李糖的含量最高，占總糖的35.40％；糖醛酸包括半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸及甘露糖醛酸，分別占糖組分含量的6.88%、0.84%、2.98%。

根據(jù)表5可知，桉木化機漿制漿廢水中含有多種糖類，其中包括多種單糖，如阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、核糖等，這些單糖存在于廢水中難以除去，是廢水中主要污染物。