桉木化機(jī)漿制漿廢水多組分成分分析

（1）桉木化機(jī)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(fù)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(jī)相。剩余殘液再次加入三氯甲烷萃取，重復(fù)上述操作。將2次萃取得到的有機(jī)相，移至足量無(wú)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(cè)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(cè)定530 nm處的吸光度值，根據(jù)木質(zhì)素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度與吸光度值之間的線性關(guān)系曲線，計(jì)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(guò)濾，向?yàn)V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(jì)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?dú)獯蹈?，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?dú)膺M(jìn)行干燥。加入甲醇洗滌，然后吹干，重復(fù)甲醇洗滌2~3次。加入無(wú)菌水溶解，轉(zhuǎn)入色譜瓶中待測(cè)。

（2）HPAEC 條件

采用Thermo ICS5000離子色譜系統(tǒng)（Thermo Fisher Scientific，USA），利用電化學(xué)檢測(cè)器對(duì)單糖組分進(jìn)行分析檢測(cè)。

采用Dionex? CarboPac? PA20（150×3.0 mm，10 μm）液相色譜柱；進(jìn)樣量為5 μL。流動(dòng)相A（0.1 mol/L NaOH），流動(dòng)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(jì)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(wú)白煙產(chǎn)生，移入馬弗爐中600℃灼燒，灰化至恒質(zhì)量時(shí)取出坩堝放入干燥器中冷卻，冷卻后稱其質(zhì)量。重復(fù)上述操作步驟，直至質(zhì)量恒定為止。

灰分含量計(jì)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(xì)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(guò)濾，截留木質(zhì)素沉淀，得到無(wú)木質(zhì)素的濾液。

（1）廢水中有機(jī)物的萃取

取500 mL無(wú)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(fù)上述步驟3~4次，加入少量無(wú)水硫酸鈉于萃取液中干燥過(guò)夜。將干燥后的萃取液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮至2 mL，進(jìn)行GC/MS分析。

（2）檢測(cè)條件

色譜柱HP5MS石英毛細(xì)管柱，柱長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)樣量1 μL；質(zhì)譜檢測(cè)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(wú)木質(zhì)素濾液，得到固體粉末，加入乙醇溶解，然后用膜過(guò)濾，得到溶于乙醇的有機(jī)物溶液，取少量置于樣品瓶中待測(cè)。

（2）檢測(cè)條件

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

質(zhì)譜條件：離子源為ESI 源，正、負(fù)離子檢測(cè)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(tuán)可以通過(guò)使用紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)紅外吸收曲線中的各個(gè)吸收峰位置不同、吸收強(qiáng)度的不同及峰的歸屬推斷樣品中的化學(xué)基團(tuán)，輔助驗(yàn)證GC/MS以及HPLC/MS的檢測(cè)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(guò)程始終保持干燥狀態(tài)，然后使用壓片機(jī)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(jìn)行紅外光譜測(cè)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(biāo)準(zhǔn)溶液。向比色管中加入不同體積的木質(zhì)素標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定波長(zhǎng)530 nm吸光度值，以木質(zhì)素濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)作圖，得到木質(zhì)素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，見(jiàn)圖1。由圖1可知，在一定濃度范圍內(nèi)，木質(zhì)素標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定其530 nm處的吸光度值，按標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)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(biāo)準(zhǔn)曲線

Fig. 1  Standard curve of lignin concentration

經(jīng)過(guò)檢測(cè)，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(jī)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(huì)以氯化物的形式存在，是AOX的來(lái)源，對(duì)環(huán)境中的生物具有毒性。木質(zhì)素降解還會(huì)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(duì)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(diǎn)較低的主要成分，對(duì)桉木化機(jī)漿制漿廢水進(jìn)行GC/MS分析，采用面積歸一法進(jìn)行計(jì)算，得出了桉木化機(jī)漿制漿廢水中所含的主要化學(xué)成分及其相對(duì)含量見(jiàn)表2。

由表2可以看出，桉木化機(jī)漿制漿廢水中沸點(diǎn)較低的物質(zhì)中，有機(jī)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(diǎn)較高的主要成分見(jiàn)表3。

由表3知，桉木化機(jī)漿制漿廢水中的成分十分復(fù)雜，其中含有大量的有機(jī)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(lái)源于木質(zhì)素大分子的降解，同時(shí)還有部分含有發(fā)色基團(tuán)的有機(jī)物，使中段廢水顏色略深；且個(gè)別物質(zhì)所占比例較大，極易對(duì)后續(xù)的厭氧生化反應(yīng)產(chǎn)生影響。

圖2為桉木化機(jī)漿制漿廢水的FT-IR圖，表4是桉木化機(jī)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(dòng)寬頻的強(qiáng)吸收峰，分析其中部分羥基來(lái)自于堿法制漿過(guò)程中所使用的氫氧化鈉，剩余部分羥基可能來(lái)源于桉木化機(jī)漿制漿廢水中的有機(jī)物。2089 cm^-1處是C≡C的伸縮振動(dòng)引起的吸收峰。1636 cm^-1處為苯環(huán)的骨架振動(dòng)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(huì)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(lái)源于制漿過(guò)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(dòng)產(chǎn)生的。在1248 cm^-1處歸屬為紫丁香基苯環(huán)上C—H振動(dòng)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(dòng)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(dòng)或苯環(huán)氫面外振動(dòng)的吸收峰。因此，通過(guò)紅外光譜分析可得，桉木化機(jī)漿制漿廢水中存在的有機(jī)物包括芳香族化合物、醇類和酚類等；有機(jī)結(jié)構(gòu)包括羧基、羰基、羥基、苯環(huán)官能團(tuán)等。輔助驗(yàn)證了上述檢測(cè)方法對(duì)有機(jī)物檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖 2  桉木化機(jī)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(jī)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(tuán)酰胺鍵（—CO—NH—），所測(cè)定出的多種酸類含有生色團(tuán)羧基（—COOH），并且含有羥基（—OH）、氨基（—NH₂）等助色團(tuán)，相互作用下導(dǎo)致廢水色度較高，且這些基團(tuán)都是極性的，導(dǎo)致這些物質(zhì)易溶于水，在水中又會(huì)發(fā)生分散作用，從而導(dǎo)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(tuán)相連，而另一端與電性相反的基團(tuán)相連，這種分子在吸收一定能量后，會(huì)發(fā)生極化并產(chǎn)生偶極矩，使價(jià)電子在不同的能級(jí)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(jiàn)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(jī)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。