桉木化机浆制浆废水多组分成分分析

黄在恒 秦 香 刘 熹 朱 添 农光再，* 杨琦峰，*

（1.广西大学资源环境与材料学院，广西南宁，530004；2.广西博世科环保科技股份有限公司，广西南宁，530007；3.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁，530004）

自21 世纪以来，我国造纸工业发展进入了飞速递增的阶段，但造纸工业产生的废水污染物会对环境产生影响[1]，包括全球变暖、人类毒性、生态毒性等环境问题[2-3]。随着我国造纸业对纤维结构的调整，木浆将逐步成为主要造纸原料[4-5]，但同时面临木材资源严重短缺的问题。

桉木作为我国除速生杨木及速生杉木外重要的速生造林树种，具有生长速度快、轮伐期短、纤维产量高、价格低廉和纸浆得率高等优点[6-7]。就制浆造纸的需求而言，桉木浆属于短纤维，造纸对短纤维的需求量是长纤维的2倍，因其松厚度好、不透明度高、手感柔软，特别适宜于生产文化用纸等，备受造纸行业的青睐。但桉木化机浆制浆废水污染物成分复杂[8-9]，主要包括易生物降解的有机物、难降解有机物、毒性物质、酸碱物质、悬浮物等[10-11]，且可生化性差[12]。一旦处理不善，对生态环境及淡水资源都存在着较大的威胁，并将间接影响到人类的健康，导致各种病变的发生[13-15]。因此，桉木化机浆制浆废水的处理是一项重大挑战[16]。

由于桉木化机浆制浆废水成分复杂，存在木质素、半纤维素、糖类和有机酸等，为了有效减少对环境造成的影响，需要对废水污染物的成分分析并进行针对性的处理。目前，利用多种测试手段对桉木机化浆废水多组分研究还在进一步完善中。对于有机物污染物，目前常用气相色谱/质谱联用仪（GC/MS）进行分析。Talwar 等人[17]利用GC/MS 分析制药废水，结果表明废水中有机污染物（如N-1-（2-甲氧基丙烯基）叔丁胺）在P25 光催化后转化为低分子质量污染物（如2,4-二甲基己烷）。Natarajan 等人[18]通过GC/MS 发现皮革废水中存在2-苯乙醇转化为2-叔丁基-4,6-二甲基苯酚和2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的过程。Saien 等人[19]发现，炼油废水中存在脂肪族碳氢化合物（如C10 以下的环烷烃）和芳香族化合物（如苯、甲苯和乙苯）。辛梅华等人[20]采用反相高效液相色谱法-紫外测定了工业废水中氯苯等6种有机污染物。

在当前的制浆工艺中，由于制浆用水会长时间存在于密闭循环的环境中，导致水中的有毒物质浓度增大，因此对这些化合物的鉴定分析也是很有必要的。目前，可以将制浆废水直接取样进行高效液相色谱法（HPLC）分析或者采用高效液相色谱/质谱联用仪（HPLC/MS）分析[21]。Latorre 等人[22]利用HPLC/MS 分析了废水和纯净水中的脂肪酸和树脂。

桉木制浆废水成分复杂，存在COD 浓度高、色度深等问题，这不仅对废水的后续处理、回收造成了一定的阻碍，使出水很难达到GB 3544—2008《制浆造纸工业水污染物排放标准》的要求；同时对其成分的系统研究也成为一个难点。因此，本研究以桉木化机浆制浆废水为研究目标，通过GC/MS、HPLC/MS等一系列分析手段对其成分进行定性定量分析，以期为桉木化机浆制浆废水的回收治理提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 实验试剂及原料

桉木化机浆制浆废水取自广西某造纸公司厌氧前进水，属高浓度废水，废水呈弱碱性（pH 值7.6），外观呈黑色。

DNS 溶液，实验室自制；甲醇，分析纯，购于ANPEL公司；三氟乙酸，色谱纯，购于ANPEL公司；氢氧化钠，色谱纯，购于Sigma 公司；三水醋酸钠，分析纯，购于Sigma 公司；硫酸、乙醇，分析纯，购于成都市科隆化学品有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 木质素的提取及含量测定

（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]。

1.2.2 半纤维素的测定

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。

1.2.3 糖类的检测

（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。

1.2.4 灰分测定

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。

1.3 废水中微量成分的分析方法

1.3.1 废水预处理

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。

1.3.2 GC/MS分析

（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1µL；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）。

1.3.3 HPLC/MS分析

（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2µL，进样室温度4℃，柱温30℃。

表1 洗脱液配比Table 1 Eluent ratio

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。

1.3.4 废水的红外光谱分析

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。

2 结果与讨论

2.1 主要成分分析

2.1.1 木质素浓度标准曲线

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

2.1.2 废水主要组分分析

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。

2.2 微量成分分析

2.2.1 GC/MS分析

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。

表2 桉木化机浆制浆废水中沸点较低的主要有机物及其相对含量Table 2 Main organic matter with low boiling point and relative content in eucalyptus chemi-mechanical pulping wastewater

2.2.2 HPLC/MS分析

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。

表3 桉木化机浆制浆废水中沸点较高的主要有机物及其相对含量Table 3 Main organic compounds with higher boiling points and their relative contents in eucalyptus chemi-mechanical pulping wastewater

2.2.3 桉木化机浆废水的FT-IR分析

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。

表4 桉木化机浆废水红外光谱吸收峰Table4 Infrared spectrum absorption peaks of eucalyptus chemi-mechanical pulping wastewater

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。

2.2.4 废水中糖类组分分析

根据HPAEC 分析结果得出废水中糖类成分见表5。

表5 桉木化机浆制浆废水中糖组分含量Table5 Sugar component content in eucalyptus chemi-mechanical pulping wastewater

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。

3 结 论

本研究利用气相色谱/质谱联用仪（GC/MS）和高效液相色谱/质谱联用仪（HPLC/MS），对桉木化机浆制浆废水的成分进行了定性定量分析。

3.1 桉木化机浆制浆废水中含有木质素、半纤维素、糖类等成分。其中木质素含量为73 g/L、半纤维素含量为33.4 g/L、灰分含量为64 g/L。

3.2 桉木化机浆制浆废水中还含有很多种类的微量成分。其中有机酸成分最多，包括丁酸、丙酸、苯甲酸等；酰胺类含有二十二烷酰胺、十九胺、苯甲酰胺等成分；醛类和酮类包括1,5-二苯基-2H-1,2,4-三唑啉-3-硫酮、苯丙酮、苯甲醛等；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、八甲基环四硅氧烷等，此外，还含有多种氨基酸。

3.3 桉木化机浆制浆废水中还含有多种糖类成分，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%。