桉木化机浆制浆废水多组分成分分析

（1）桉木化机浆制浆废水中木质素的提取

采用酸析法分离废水中的木质素。首先用硫酸调节废水pH值为6，离心分离，收集沉淀物，再继续将残液调至pH值为2，离心分离，收集沉淀物，并用稀硫酸洗涤上层液体再次离心，重复洗涤2~3次，取沉淀物置于70℃真空干燥箱干燥，用研钵研碎，制得粗木质素。取70 mL吡啶、10 mL醋酸溶液定容至100 mL，将粗木质素溶于该溶液中，用100 mL三氯甲烷萃取，取分层后溶有木质素的有机相。剩余残液再次加入三氯甲烷萃取，重复上述操作。将2次萃取得到的有机相，移至足量无水乙醚中搅拌，去除残留吡啶。置于真空干燥器中干燥，得到精制木质素。

（2）木质素含量测定

将废水稀释10倍，取稀释后的废水5 mL和DNS溶液2 mL，加去离子水定容至20 mL，以稀释相同倍数的DNS溶液为参比，测定530 nm处的吸光度值，根据木质素标准溶液浓度与吸光度值之间的线性关系曲线，计算废水中的木质素含量^[23]。

称取一定质量废水使用上述酸析法分离出木质素并过滤，向滤液中缓慢滴加4 mol/L的氢氧化钠溶液，将pH值调至3，然后加入足量乙醇至有淡黄色絮状物质出现，静置分层，底部有沉淀出现，用乙醇洗涤2~3次，将洗涤后的物质放置于真空干燥箱中50℃干燥48 h，干燥后称量质量，记为m₂。根据公式(1)计算半纤维素含量。

式中，w为半纤维素含量；m₂为半纤维素质量；m₁为废水质量。

（1）样品制备和提取

取适量废水上清液，用氮气吹干，精确称取吹干后的多糖样品5 mg，在密封管中用三氟乙酸在121℃下水解2 h。用氮气进行干燥。加入甲醇洗涤，然后吹干，重复甲醇洗涤2~3次。加入无菌水溶解，转入色谱瓶中待测。

（2）HPAEC 条件

采用Thermo ICS5000离子色谱系统（Thermo Fisher Scientific，USA），利用电化学检测器对单糖组分进行分析检测。

采用Dionex™ CarboPac™ PA20（150×3.0 mm，10 μm）液相色谱柱；进样量为5 μL。流动相A（0.1 mol/L NaOH），流动相B（0.1 mol/L NaOH，0.2 mol/L NaAc），流速0.5 mL/min；柱温为30℃；洗脱梯度：0 min A相/B相（体积比95∶5），30 min A相/B相（体积比80∶20），30.1 min A相/B相（体积比60∶40），45 min A相/B相（体积比60∶40），45.1 min A相/B相（体积比95∶5），60 min A相/B相（体积比95∶5）。

（3）计算方法

样品中各组分含量（μg/mL） = C·V·F

式中，C为仪器读取浓度，μg/ml；V为样品提取液体积，mL；F为稀释因子。

称取5 g废水干燥得到的固形物于坩埚中，先于电炉上炭化至无白烟产生，移入马弗炉中600℃灼烧，灰化至恒质量时取出坩埚放入干燥器中冷却，冷却后称其质量。重复上述操作步骤，直至质量恒定为止。

灰分含量计算如式(2)所示。

式中，W表示灰分含量，%；m₄表示空坩埚灼烧恒质量，g；m₃表示灰渣和坩埚的总质量，g；m表示废水固体试样的质量，g。

除去木质素和细小纤维。加10 mol/L硫酸调节pH值=2，使木质素沉淀，然后用孔径为0.45 μm滤膜过滤，截留木质素沉淀，得到无木质素的滤液。

（1）废水中有机物的萃取

取500 mL无木质素滤液，加入50 mL乙醚萃取，将萃取液移至具塞三角烧瓶中，重复上述步骤3~4次，加入少量无水硫酸钠于萃取液中干燥过夜。将干燥后的萃取液使用旋转蒸发器浓缩至2 mL，进行GC/MS分析。

（2）检测条件

色谱柱HP5MS石英毛细管柱，柱长30 m，柱内径0.25 mm，膜厚0.25 μm；色谱分离条件：柱温40℃（保持5 min），再以5℃/min升温到250℃（保持10 min）；进样口温度280℃；汽化温度最高280℃；载气（流量）He（1.0 mL/min）；分流比50∶1，进样量1 μL；质谱检测器：EI源，电子能量70 eV，源温230℃，扫描范围35~500 amu（原子质量单位）。

（1）样品的制备

蒸发干燥无木质素滤液，得到固体粉末，加入乙醇溶解，然后用膜过滤，得到溶于乙醇的有机物溶液，取少量置于样品瓶中待测。

（2）检测条件

色谱柱为Hypersil GOLD C18（50 mm×2.1 mm，1.9 μm），流动相为0.1%甲酸水-甲醇，洗脱梯度，洗脱液配比见表1。流速为0.3 mL/min，进样体积2 μL，进样室温度4℃，柱温30℃。

质谱条件：离子源为ESI 源，正、负离子检测模式，鞘气压力40 PSi；辅助气体（N₂）压力69 kPa；喷雾电压3.5 kV；离子传输管温度320℃；辅助气温度350℃；质谱扫描范围为100~1000 m/z，扫描模式：Full MS/dd-MS2。

废水中的物质组成以及分子基团可以通过使用红外光谱仪进行测定，根据红外吸收曲线中的各个吸收峰位置不同、吸收强度的不同及峰的归属推断样品中的化学基团，辅助验证GC/MS以及HPLC/MS的检测结果。按照废水与溴化钾以质量比1∶100的比例使用玛瑙研钵研磨，研磨过程始终保持干燥状态，然后使用压片机将研磨好的粉末压制成均匀的圆形透明薄膜，使用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）进行红外光谱测试，扫描范围500~4000 cm^-1。

取木质素1 g溶于100 mL DNS溶液，用去离子水定容至500 mL，制得浓度为2 g/L的木质素标准溶液。向比色管中加入不同体积的木质素标准液，用稀释与废水相同倍数的DNS溶液定容10 mL，配制成不同木质素含量的溶液，用稀释10倍的DNS为参比液测定波长530 nm吸光度值，以木质素浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标作图，得到木质素浓度标准曲线，见图1。由图1可知，在一定浓度范围内，木质素标准溶液浓度与吸光度间具有较好的线性关系。将废水以DNS为溶剂稀释合适倍数后测定其530 nm处的吸光度值，按标准曲线计算得出废水中木质素浓度为73 g/L。根据每升废水质量950 g，木质素总质量为73 g，木质素占废水总质量的7.68％。

图1  木质素浓度标准曲线

Fig. 1  Standard curve of lignin concentration

经过检测，废水主要组分包括木质素、半纤维素、灰分等物质，废水中的固形物含量为17.89％左右，其中木质素含量最多为73 g/L，占固形物含量的42.95％，半纤维素含量为33.4 g/L，灰分含量为64 g/L，分别占固形物含量的19.59%和37.46%。

根据上述可知，桉木化机浆制浆废水中含有大量的木质素、半纤维素，大量的木质素会以氯化物的形式存在，是AOX的来源，对环境中的生物具有毒性。木质素降解还会产生低分子质量的脂肪酸及其他芳香族化合物，在后续的厌氧生化反应中对微生物产生抑制作用的物质。

根据GC/MS分析结果得出废水中沸点较低的主要成分，对桉木化机浆制浆废水进行GC/MS分析，采用面积归一法进行计算，得出了桉木化机浆制浆废水中所含的主要化学成分及其相对含量见表2。

由表2可以看出，桉木化机浆制浆废水中沸点较低的物质中，有机酸成分最多，包括丁酸、丙酸、苯甲酸等；酰胺类含有二十二烷酰胺、十九胺、苯甲酰胺3种成分；醛类和酮类主要包括1,5-二苯基-2H-1,2,4-三唑啉-3-硫酮、苯丙酮、苯甲醛；烷类含有十八烷、环庚硅氧烷、六甲基环三硅氧烷、七甲基-二（三甲基硅氧基）四氧烷、八甲基环四硅氧烷；氨基化合物主要为2-乙基吖啶；脂类化合物主要包括2-庚烯酸、4氨基-6-甲基-乙酯。

根据HPLC/MS分析结果得出废水中沸点较高的主要成分见表3。

由表3知，桉木化机浆制浆废水中的成分十分复杂，其中含有大量的有机酸类、胺类、酮类、芳香族化合物、烷烃类和杂环化合物等。其中烷烃类、芳香族化合物和杂环类化合物主要来源于木质素大分子的降解，同时还有部分含有发色基团的有机物，使中段废水颜色略深；且个别物质所占比例较大，极易对后续的厌氧生化反应产生影响。

图2为桉木化机浆制浆废水的FT-IR图，表4是桉木化机浆制浆废水红外光谱吸收峰。根据红外分析可知，3433 cm^-1处出现了归属于羟基中的O—H伸缩振动宽频的强吸收峰，分析其中部分羟基来自于碱法制浆过程中所使用的氢氧化钠，剩余部分羟基可能来源于桉木化机浆制浆废水中的有机物。2089 cm^-1处是C≡C的伸缩振动引起的吸收峰。1636 cm^-1处为苯环的骨架振动产生的吸收峰，证明有苯环结构的存在。木质素降解会产生低分子质量的脂肪酸及其他芳香族化合物^[24]，因此，此处的吸收峰应该是来源于制浆过程中木质素降解产生的芳香族化合物的产物。1414 cm^-1处的吸收峰是由纤维素和半纤维素分子结构的—OH和—CH₂剪切振动产生的。在1248 cm^-1处归属为紫丁香基苯环上C—H振动吸收峰。1114 cm^-1处产生的吸收峰归属于愈创木基的特征峰，酚、醇羟基O—H弯曲振动产生的，是典型的的木质素结构红外吸收峰。500~700 cm^-1处的吸收峰是酸O—H面外弯曲振动或苯环氢面外振动的吸收峰。因此，通过红外光谱分析可得，桉木化机浆制浆废水中存在的有机物包括芳香族化合物、醇类和酚类等；有机结构包括羧基、羰基、羟基、苯环官能团等。辅助验证了上述检测方法对有机物检测的准确性。

图 2  桉木化机浆制浆废水的FT-IR谱图

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

根据表2可知，桉木化机浆制浆废水中含苯甲酰胺1.42%，二十二烷酰胺5.95%，以及其他酰胺物质，这几种分子含有生色团酰胺键（—CO—NH—），所测定出的多种酸类含有生色团羧基（—COOH），并且含有羟基（—OH）、氨基（—NH₂）等助色团，相互作用下导致废水色度较高，且这些基团都是极性的，导致这些物质易溶于水，在水中又会发生分散作用，从而导致废水难以脱色。

除此之外，存在分子含有共轭不饱和链2-庚烯酸、4氨基-6-甲基-乙酯，其中一端含有供电子基如羟基（—OH）、氨基（—NH₂）或吸收电子基如亚硝基（—NO₂）的基团相连，而另一端与电性相反的基团相连，这种分子在吸收一定能量后，会发生极化并产生偶极矩，使价电子在不同的能级之间跃迁，从而形成不同的颜色。

根据HPAEC分析结果得出废水中糖类成分见表5。

由表5可知，废水中的糖包含了岩藻糖等糖类及部分糖醛酸，其中鼠李糖的含量最高，占总糖的35.40％；糖醛酸包括半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸及甘露糖醛酸，分别占糖组分含量的6.88%、0.84%、2.98%。

根据表5可知，桉木化机浆制浆废水中含有多种糖类，其中包括多种单糖，如阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、核糖等，这些单糖存在于废水中难以除去，是废水中主要污染物。