竹子在廢水處理中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

竹子在廢水處理中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘

要：竹子的竹青和竹黃兩部分含有豐富的木質(zhì)纖維素，具有良好的吸附能力和開發(fā)價(jià)值，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用ICP-MS法測(cè)定三種不同竹類（紫竹、黃金竹、羅漢竹）的Cd、Pb、As、Hg四種重金屬元素，以及竹子作為吸附劑，測(cè)定吸附前后工業(yè)廢水中重金屬含量。該方法簡(jiǎn)單便捷、靈敏度高、速度快，檢出限為0.006-0.151μg·g-1，各重金屬元素相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.351%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明竹子對(duì)Cu2+的吸附效果最好，其次是Cd2+、Pb2+。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)發(fā)現(xiàn)竹子本身含有少量重金屬元素，可能是其生長(zhǎng)土壤環(huán)境收到污染，或與大氣污染產(chǎn)生的酸雨有關(guān)。

關(guān)鍵詞：竹子;ICP-MS;重金屬;木質(zhì)纖維素

Abstract：Thebamboogreenandbambooyellowpartsofbambooarerichinlignocellulose，whichhasgoodadsorptioncapacityanddevelopmentvalue.TheexperimentusesICP-MStodeterminetheCdandPbofthreedifferentbamboos（purplebamboo，goldenbamboo，andLuoHanbamboo）.Thefourheavymetalelements，As，Hg，andbambooareusedasadsorbentstoabsorbheavymetalcontentinindustrialwastewaterbeforeandafteradsorption.Themethodissimple，convenient，sensitiveandfast.Thedetectionlimitis0.006-0.151μg·g-1，andtherelativestandarddeviationofeachheavymetalelementislessthan2.351%.TheexperimentalresultsshowthatbamboohasthebestadsorptioneffectonCu2+，followedbyCd2+，Pb2+.Theexperimentalresultsalsofoundthatbambooitselfcontainsasmallamountofheavymetalelements，whichmaybecausedbypollutionofthesoilenvironmentforitsgrowth，orrelatedtoacidraincausedbyairpollution.

Keywords：Bamboo;ICP-MS;Heavymetals;Lignocellulose

引言

近年來(lái)，重金屬污染是常見(jiàn)的一種水污染。隨著現(xiàn)代化工、冶煉技術(shù)等工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械加工、礦山開采、鋼鐵金屬冶煉以及化工企業(yè)的生產(chǎn)都會(huì)產(chǎn)生大量含有重金屬離子的工業(yè)廢水。據(jù)測(cè)算，全世界每天工業(yè)生產(chǎn)中所排放的廢水約為3x108噸，這些物質(zhì)有未經(jīng)任何處理直接排入水體，有部分通過(guò)天氣變化伴隨風(fēng)雨進(jìn)入水體，一部分通過(guò)地下水進(jìn)入水體。水是人類賴以生存的必要物質(zhì)，水污染勢(shì)必會(huì)影響人類的長(zhǎng)存發(fā)展。重金屬是不可降解的有毒物質(zhì)，由于重金屬超標(biāo)所帶來(lái)的食品安全問(wèn)題日益增多，通過(guò)食物鏈進(jìn)入餐桌，人攝取微量或者低濃度的重金屬離子都會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生危害。因此，研究如何降低工業(yè)廢水中重金屬的含量，減輕重金屬離子對(duì)環(huán)境的污染具有重大意義。

而我國(guó)竹子產(chǎn)量世界第一，根據(jù)第九次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，竹林面積為641.16萬(wàn)hm2，占森林面積的2.94%，是除木材外產(chǎn)量最為豐富、可再生的森林資源。因此，用竹子吸附廢水中的重金屬離子擁有來(lái)源廣、成本低的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)造成自然生態(tài)資源的破壞與污染。竹子分為竹青和竹黃兩部分，竹青部分的纖維素約為42.9%、總木質(zhì)素為25.2%;竹黃部分的纖維素約為42.1%、總木質(zhì)素為24.7%，具有良好的開發(fā)價(jià)值。木質(zhì)纖維素是一種纖維狀、多毛細(xì)血管的高分子聚合物，其分子結(jié)構(gòu)中具有羧基、氨基、羰基、芳香基、醇羥基、甲氧基、共軛雙鍵等多種活性功能基團(tuán)，這些基團(tuán)都可作為重金屬離子活性吸附位點(diǎn);同時(shí)，木質(zhì)纖維素也是一種多孔性高分子的天然材料，從而對(duì)某些重金屬離子存在潛在吸附能力，吸附能力的大小與羧基、羰基、羥基、甲氧基等配位基的含量及其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，本項(xiàng)目旨在研究竹子在廢水中對(duì)不同重金屬離子的吸附性。隨著時(shí)代的變遷，人們意識(shí)到自然資源并非取之不盡用之不竭，資源短缺日益嚴(yán)重、人類保護(hù)環(huán)境意識(shí)日益增強(qiáng)，天然可提取可再生的資源的發(fā)現(xiàn)及充分利用尤其重要，其高值化利用不僅能給社會(huì)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益，而且也可以有效緩解甚至解決環(huán)境污染的問(wèn)題。

1.材料與方法

1.1儀器和試劑

Agilent7900電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（安捷倫科技樹有限公司）;微波消解儀（奧地利安東帕（中國(guó)）有限公司）;Airum611di超純水器;IKAT25高速分散機(jī);B211D電子天平（德國(guó)賽多利斯公司）。

HNO3，H2O2均為優(yōu)級(jí)純?cè)噭?混合元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（5%介質(zhì)HNO3），內(nèi)含Pb、Hg、As、Cd、Fe、Ag、Cr、Cu元素濃度為100μg·mL-1，;混合元素內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)溶液（Bi、In、Rh、Ge、Sc、Th元素濃度為100μg·mL-1），調(diào)諧溶液（Li、Co、Y、Ce、Tl）濃度1μg·L-1。

紫竹（江蘇宿遷）、黃金竹（江蘇南京）、羅漢竹（江蘇徐州）;工業(yè)廢水;去離子水。

1.2儀器的工作條件

使用調(diào)諧溶液對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧，優(yōu)化儀器的靈敏度和穩(wěn)定性，以達(dá)到檢測(cè)要求，優(yōu)化后的一起工作參數(shù)如圖表1所展示。

1.3樣品前處理

因?yàn)橹褡釉谶\(yùn)輸過(guò)程中會(huì)有少量灰塵，且灰塵會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果中所含有的重金屬離子含量影響偏大，所以，為了得到相對(duì)準(zhǔn)確的重金屬含量，應(yīng)先用去離子水清洗、曬干，再對(duì)長(zhǎng)為30cm三種不同的竹類（紫竹、黃金竹、羅漢竹）進(jìn)行預(yù)處理，將其用勻漿機(jī)打漿，裝入不同燒杯。

1.4測(cè)定

在儀器最佳工作條件下，做各重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)樣品進(jìn)行分析測(cè)定。

2.結(jié)果與分析

2.1不同竹類中重金屬元素含量的測(cè)定

在竹子的生長(zhǎng)過(guò)程中，不免會(huì)富集吸收土壤中的無(wú)機(jī)元素，如促進(jìn)竹子新陳代謝的K，促進(jìn)竹子體內(nèi)生理活動(dòng)的Ca，葉綠素中的重要組成成分Mg，竹子光合作用的重要元素Fe等有益于竹子生長(zhǎng)的微量元素，所以我們將利用ICP-MS檢測(cè)竹子中重金屬元素含量，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2廢水中的不同種類的金屬離子含量的測(cè)定

準(zhǔn)確取量20ml工業(yè)廢水樣品，將電感耦合等離子體質(zhì)譜儀開機(jī)，抽真空達(dá)到要求后，用質(zhì)譜調(diào)諧液調(diào)節(jié)儀器雙電荷、靈敏度、分辨率、氧化物等各項(xiàng)指標(biāo)，為達(dá)到檢測(cè)要求，調(diào)諧P/A因子，在線加入內(nèi)標(biāo)，編輯方法，等待儀器穩(wěn)定后將標(biāo)準(zhǔn)系列、全程序空白和樣品溶液引入儀器，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線線性回歸方程計(jì)算工業(yè)廢水中重金屬元素含量如下表3所示。

2.3竹類吸附材料的吸附性實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)判斷不同方法下竹子吸附工業(yè)廢水含量的差別，實(shí)驗(yàn)一：將不同種類的竹子切段，浸泡于廢水中，后檢測(cè)廢水中重金屬離子含量的變化。;實(shí)驗(yàn)二：將同質(zhì)量的廢水灌入不同種類的竹子中，后檢測(cè)竹筒內(nèi)廢水的重金屬離子含量的變化。最后，比較兩種試驗(yàn)后的重金屬離子種類及含量，探討兩種不同方法哪種對(duì)于廢水中重金屬離子的吸附性效率更高，結(jié)論如表4所示。

2.4方法準(zhǔn)確度試驗(yàn)

2.4.1檢出限及標(biāo)準(zhǔn)偏差

對(duì)黃金竹樣品重復(fù)測(cè)定3次，求得各個(gè)重金屬元素的檢出限、標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見(jiàn)表5。

3.結(jié)論

結(jié)果表明，采用微波消解方法處理三種不同竹類，采用ICP-MS測(cè)定其內(nèi)均Pb、Hg、As、Cd等有害重金屬元素，且不同竹類間所含有的同類重金屬元素差距不算顯著。該方法檢出限為0.006-0.151μg·g-1，平行測(cè)定三次，相對(duì)偏差小于2.351%。不同狀態(tài)的竹子對(duì)吸附廢水中重金屬離子的含量差別并不大，通過(guò)對(duì)比ICP-MS法測(cè)定出實(shí)驗(yàn)前后廢水中重金屬含量Fe、Pb、Ag、Cr、Cu、Cd六種重金屬元素竹子含量的差別，得知竹子對(duì)廢水中重金屬離子Cu2+的吸附效果最好，其次是Cd2+、Pb2+，對(duì)其他重金屬離子均有吸附效果，但不明顯。

4.問(wèn)題與展望

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，伴隨著工業(yè)的水平的突飛猛進(jìn)，社會(huì)生產(chǎn)力得到較大提高，但同時(shí)，工業(yè)廢水的種類與數(shù)量也迅猛增加，水體污染的嚴(yán)重與廣泛，影響著人類生產(chǎn)生活，所以工業(yè)廢水的合理高效處理已然變成保護(hù)環(huán)境的重中之重，雖然自十九世紀(jì)末從歐洲開始，利用曝氣、化學(xué)沉淀法、萃取法等方法進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探究與生產(chǎn)實(shí)踐，但由于許多工業(yè)廢水成分冗雜，性質(zhì)多變，至今一線技術(shù)