竹子在废水处理中的应用

韩馨醇 王莹 李雨潼 李泽卉 祁一萌

摘  要：竹子的竹青和竹黄两部分含有丰富的木质纤维素，具有良好的吸附能力和开发价值，实验应用ICP-MS法测定三种不同竹类（紫竹、黄金竹、罗汉竹）的Cd、Pb、As、Hg四种重金属元素，以及竹子作为吸附剂，测定吸附前后工业废水中重金属含量。该方法简单便捷、灵敏度高、速度快，检出限为0.006-0.151μg·g-1，各重金属元素相对标准偏差小于2.351%，实验结果表明竹子对Cu2+的吸附效果最好，其次是Cd2+、Pb2+。实验结果同时发现竹子本身含有少量重金属元素，可能是其生长土壤环境收到污染，或与大气污染产生的酸雨有关。

关键词：竹子;ICP-MS;重金属;木质纤维素

Abstract：The bamboo green and bamboo yellow parts of bamboo are rich in lignocellulose，which has good adsorption capacity and development value. The experiment uses ICP-MS to determine the Cd and Pb of three different bamboos（purple bamboo，golden bamboo，and Luo Han bamboo）. The four heavy metal elements，As，Hg，and bamboo are used as adsorbents to absorb heavy metal content in industrial wastewater before and after adsorption. The method is simple，convenient，sensitive and fast. The detection limit is 0.006-0.151μg·g-1，and the relative standard deviation of each heavy metal element is less than 2.351%. The experimental results show that bamboo has the best adsorption effect on Cu2+，followed by Cd2+，Pb2+. The experimental results also found that bamboo itself contains a small amount of heavy metal elements，which may be caused by pollution of the soil environment for its growth，or related to acid rain caused by air pollution.

Keywords：Bamboo;ICP-MS;Heavy metals;Lignocellulose

引言

近年來，重金属污染是常见的一种水污染。随着现代化工、冶炼技术等工业技术的快速发展，机械加工、矿山开采、钢铁金属冶炼以及化工企业的生产都会产生大量含有重金属离子的工业废水。据测算，全世界每天工业生产中所排放的废水约为3x108吨，这些物质有未经任何处理直接排入水体，有部分通过天气变化伴随风雨进入水体，一部分通过地下水进入水体。水是人类赖以生存的必要物质，水污染势必会影响人类的长存发展。重金属是不可降解的有毒物质，由于重金属超标所带来的食品安全问题日益增多，通过食物链进入餐桌，人摄取微量或者低浓度的重金属离子都会对健康产生危害。因此，研究如何降低工业废水中重金属的含量，减轻重金属离子对环境的污染具有重大意义。

而我国竹子产量世界第一，根据第九次全国森林资源清查结果显示，竹林面积为641.16万hm2，占森林面积的2.94%，是除木材外产量最为丰富、可再生的森林资源。因此，用竹子吸附废水中的重金属离子拥有来源广、成本低的优势，不会造成自然生态资源的破坏与污染。竹子分为竹青和竹黄两部分，竹青部分的纤维素约为42.9%、总木质素为25.2%;竹黄部分的纤维素约为42.1%、总木质素为24.7%，具有良好的开发价值。木质纤维素是一种纤维状、多毛细血管的高分子聚合物，其分子结构中具有羧基、氨基、羰基、芳香基、醇羟基、甲氧基、共轭双键等多种活性功能基团，这些基团都可作为重金属离子活性吸附位点;同时，木质纤维素也是一种多孔性高分子的天然材料，从而对某些重金属离子存在潜在吸附能力，吸附能力的大小与羧基、羰基、羟基、甲氧基等配位基的含量及其空间网络结构有关。因此，本项目旨在研究竹子在废水中对不同重金属离子的吸附性。随着时代的变迁，人们意识到自然资源并非取之不尽用之不竭，资源短缺日益严重、人类保护环境意识日益增强，天然可提取可再生的资源的发现及充分利用尤其重要，其高值化利用不仅能给社会生产带来巨大的经济利益，而且也可以有效缓解甚至解决环境污染的问题。

1.材料与方法

1.1 仪器和试剂

Agilent7900电感耦合等离子体质谱仪（安捷伦科技树有限公司）;微波消解仪（奥地利安东帕（中国）有限公司）;Airum 611di超纯水器;IKA T25高速分散机;B211D电子天平（德国赛多利斯公司）。

HNO3，H2O2均为优级纯试剂;混合元素标准储备液（5%介质HNO3），内含Pb、Hg、As、Cd、Fe、Ag、Cr、Cu元素浓度为100μg·mL-1，;混合元素内标标准溶液（Bi、In、Rh、Ge、Sc、Th元素浓度为100μg·mL-1），调谐溶液（Li、Co、Y、Ce、Tl）浓度1μg·L-1。

紫竹（江苏宿迁）、黄金竹（江苏南京）、罗汉竹（江苏徐州）;工业废水;去离子水。

1.2 仪器的工作条件

使用调谐溶液对仪器进行调谐，优化仪器的灵敏度和稳定性，以达到检测要求，优化后的一起工作参数如图表1所展示。

1.3 样品前处理

因为竹子在运输过程中会有少量灰尘，且灰尘会对检测结果中所含有的重金属离子含量影响偏大，所以，为了得到相对准确的重金属含量，应先用去离子水清洗、晒干，再对长为30cm三种不同的竹类（紫竹、黄金竹、罗汉竹）进行预处理，将其用匀浆机打浆，装入不同烧杯。

1.4 测定

在仪器最佳工作条件下，做各重金属元素标准曲线，通过标准曲线对样品进行分析测定。

2.结果与分析

2.1 不同竹类中重金属元素含量的测定

在竹子的生长过程中，不免会富集吸收土壤中的无机元素，如促进竹子新陈代谢的K，促进竹子体内生理活动的Ca，叶绿素中的重要组成成分Mg，竹子光合作用的重要元素Fe等有益于竹子生长的微量元素，所以我们将利用ICP-MS检测竹子中重金属元素含量，结果见表2。

2.2废水中的不同种类的金属离子含量的测定

准确取量20ml工业废水样品，将电感耦合等离子体质谱仪开机，抽真空达到要求后，用质谱调谐液调节仪器双电荷、灵敏度、分辨率、氧化物等各项指标，为达到检测要求，调谐P/A因子，在线加入内标，编辑方法，等待仪器稳定后将标准系列、全程序空白和样品溶液引入仪器，根据标准曲线线性回归方程计算工业废水中重金属元素含量如下表3所示。

2.3竹类吸附材料的吸附性实验

进行对比实验判断不同方法下竹子吸附工业废水含量的差别，实验一：将不同种类的竹子切段，浸泡于废水中，后检测废水中重金属离子含量的变化。;实验二：将同质量的废水灌入不同种类的竹子中，后检测竹筒内废水的重金属离子含量的变化。最后，比较两种试验后的重金属离子种类及含量，探讨两种不同方法哪种对于废水中重金属离子的吸附性效率更高，结论如表4所示。

2.4方法准确度试验

2.4.1检出限及标准偏差

对黄金竹样品重复测定3次，求得各个重金属元素的检出限、标准偏差，结果见表5。

3.结论

结果表明，采用微波消解方法处理三种不同竹类，采用ICP-MS测定其内均Pb、Hg、As、Cd等有害重金属元素，且不同竹类间所含有的同类重金属元素差距不算显著。该方法检出限为0.006-0.151μg·g-1，平行测定三次，相对偏差小于2.351%。不同状态的竹子对吸附废水中重金属离子的含量差别并不大，通过对比ICP-MS法测定出实验前后废水中重金属含量Fe、Pb、Ag、Cr、Cu、Cd六种重金属元素竹子含量的差别，得知竹子对废水中重金属离子Cu2+的吸附效果最好，其次是Cd2+、Pb2+，对其他重金属离子均有吸附效果，但不明显。

4.问题与展望

随着社会的迅速发展，伴随着工业的水平的突飞猛进，社会生产力得到较大提高，但同时，工业废水的种类与数量也迅猛增加，水体污染的严重与广泛，影响着人类生产生活，所以工业废水的合理高效处理已然变成保护环境的重中之重，虽然自十九世纪末从欧洲开始，利用曝气、化学沉淀法、萃取法等方法进行了大量的实验探究与生产实践，但由于许多工业废水成分冗杂，性质多变，至今一线技术问题仍然没有解决，且工业废水处理技术往往面临着处理难度大，费用高，所需条件较高等客观因素。因此，探索天然可再生可提取的资源的发现及充分利用尤其重要，竹子作为我国除木材外产量最丰富的森林资源，其利用价值自然应该受到广泛关注，竹子内含有丰富的廉价高效木质纤维素，仅通过物理吸附也对Cu2、Cd2+、Pb2+等重金属离子有较为明显的吸附效果。所以，在未来重金属废水领域，竹子的吸附性也将有广阔的发展前景。

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基金项目：沈阳师范大学2019年大学生创新训练项目，（项目名称：竹子在废水处理中的应用;项目编号：201910166307;项目级别：校级选育）。

作者简介：韩馨醇、李雨潼、李泽卉、祁一萌，女，辽宁人，沈阳师范大学化学化工学院，化学（师范）专业;王莹，女，辽宁人，沈阳师范大学化学化工学院，教授。