城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化唐建精.docx
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城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化唐建精
第5卷第11期
环境工程学报
Vol.5,No.112011年11月
Nov.2011
城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化
唐
建
邱忠平
*
海维燕周丽萍童霏
(西南交通大学生命科学与工程学院,成都610031
摘要对传统硫酸法进行改进,建立适用于城市生活垃圾纤维素含量的测定方法。
以脂肪抽提时间、硫酸浓度、水
解反应温度、水解反应时间、稀释硫酸浓度、回流时间为考察因素进行6因素5水平正交实验。
结果表明,测定纤维素含量的最佳条件为:
脂肪抽提时间4h、硫酸浓度70%、水解反应温度30ħ、水解反应时间5h、稀释硫酸浓度5%、回流时间3h。
优化后纤维素测定条件RSD均小于1.69%,平均回收率98.76%,表明该方法的精度高,可靠行强。
关键词纤维素正交实验优化条件
中图分类号
X705
文献标识码
A
文章编号1673-
9108(201111-2615-04Optimizationofdeterminationconditionsforcellulosecontent
ofmunicipalsolidwaste
TangJian
QiuZhongping
HaiWeiyan
ZhouLiping
TongFei
(SchoolofLifeScienceandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China
AbstractOnthebasisofimprovingthetraditionalsulfuricacidmethod,ameasurementwasexploredto
testthecontentofcelluloseinmunicipalrefuse.Orthogonalexperimentswithsixelementsplusfivelevels,inclu-dingfatextractiontime,acidconcentration,hydrolysistemperature,hydrolysisreactiontime,concentrationof
dilutesulfuricacidandrefluxtime,
weredesignedandcarriedout.Theresultsshowedthattheoptimalconditionsfordeterminationofcellulosecontentwere:
fatextractiontimeof4h,sulfuricacidconcentrationof70%,hy-drolysistemperatureof30ħ,hydrolysisreactiontimeof5h,dilutedsulfuricacidconcentrationof5%andre-fluxtimeof3h.Therelativelystandarddeviation(RSDofnewmethodwaslessthan1.69%,
andtheaveragerecoveryratewas98.76%,whichindicatedthattheimprovedmethodwashighpreciseandfeasible.
Keywordscellulose;orthogonalexperiments;optimumconditions基金项目:
四川省科技厅支撑计划项目(2011SZ0229;西南交通大
学校基金资助项目(2007B10
收稿日期:
2010-05-10;修订日期:
2010-06-29作者简介:
唐建(1983,男,硕士研究生,主要从事环境生物技术
研究。
E-mail:
tangtang100@126.com*通讯联系人,E-mail:
zhpqiu@sina.com
城市生活垃圾中含有大量纤维素,随着人们生活水平的日益提高,其在整个垃圾中的比例不断增大
[1]
。
纤维素的紧密结晶结构,使其具有很强的不
可降解性,
积累过多会导致环境负担。
堆肥和填埋是城市生活垃圾的常用处理与处置方式。
快速、准确地测定垃圾中纤维素含量,对于研究垃圾降解规律和垃圾的腐殖化程度具有重要的指导作用。
目前纤维素类物质的测定方法较多,如酸洗碱
洗重量法、氯化法、Van-soest的酸性洗涤剂法、中性洗涤纤维法、亚氯酸钠法、硝酸乙醇法和盐酸水解法
等[2,3]
其操作很繁琐、费时,特别是批量检测时,限制作用更为明显。
浓酸水解法[4]
是实验室中常用的测定方法,操作简单,对实验条件要求不高,适用于一般实验室对纤维素的测定。
传统的浓酸水解法测定城市生活垃圾中纤维素含量,由于垃圾中的纤维素水解不完全,
会造成测定结果偏低。
为了建立一种适用于城市生活垃圾且快速、准
确的测定方法,以城市生活垃圾为研究对象,在浓酸水解法测定的基础上,
通过正交试验,对城市生活垃圾中纤维素含量测定方法进行优化,为垃圾堆肥和填埋过程中纤维素降解规律研究提供基础。
1实验部分
1.1样品来源及实验仪器
实验样品取自本课题组模拟垃圾填埋系统及堆
肥系统,烘干、粉碎,过80目筛。
环境工程学报第5卷
752-紫外可见分光光度计180680ʃ2nm(上
海精密科学仪器公司,电子天平0.1mg(京
BS110S-北京赛多利斯仪器公司。
1.2实验设计
在硫酸水解法的基础上,以脂肪提取时间(A、
硫酸浓度(B、水解反应温度(C、水解反应时间
(D、稀释硫酸浓度(E、回流时间(F等因素进行
6因素5水平正交实验(L
25
(56。
实验因素水平
见表1,每组实验设立3个平行。
表1正交试验因素水平表
Table1Orthogonalarraysofoptimization
因素水平
A12345
B60%65%70%75%80%
C2025303540
D12345
E2%3%5%7%9%
F12345
1.3实验方法
按照改进后的浓酸水解法[5]:
精确称取1.00g
样品,以滤纸包裹置于索氏抽提器内,用石油醚抽提
脂肪成分;抽提完毕取出烘干(60ħ,将烘干样转
入磨口锥型瓶中,用2mol/L盐酸除去易水解物,然
后过滤,将残渣烘干。
将烘干样置于硫酸中,水解垃
圾样中的纤维素,使之转变为多糖或单糖;加水将浓
酸稀释成不同的浓度,煮沸回流,使多糖进一步水解
成单糖;抽滤,滤渣洗涤至中性,合并滤液,以蒽酮比
色法测定纤维素含量。
1.4还原糖含量测定
以蒽酮比色法测定还原糖含量[6]。
取一定量
的滤液,加入到蒽酮试剂中摇匀,沸水浴8min。
620nm下测定其吸光度值,通过标准曲线计算得到
纤维素含量。
2实验结果与讨论
2.1正交实验结果
按照实验方法中的操作步骤,对测定方法进行
优化,实验结果见表2,其中Ki为某因素第i水平的
实验平均值。
根据各因素各水平的均值,求得极差
R,极差越大,说明该因素对实验结果影响越大。
由
表2直观分析可知,各因素极差大小顺序为RF>
RB>R
A
>R
E
>R
D
>R
C
即回流时间对纤维素含量
测定影响最大,其次分别为:
硫酸浓度、脂肪抽提时间、稀释硫酸浓度、水解反应时间、水解反应温度。
表2正交实验结果与分析(n=3
Table2Resultsandanalysisoforthogonaltest编号
因素
ABCDEF
含量(mg/g1160%2012%193.902165%2523%291.103170%3035%3132.004175%3547%495.905180%4059%579.906260%2537%593.007265%3049%1108.908270%3552%2140.309275%4013%3111.5010280%2025%4123.5011360%3053%4107.7012365%3515%594.4013370%4027%1139.6014375%2039%2107.0015380%2542%3128.5016460%3529%394.9017465%4032%4111.3018470%2043%5103.5019475%2555%1136.7020480%3017%3131.0021560%4045%280.4022565%2057%3104.6023570%2519%492.8024575%3022%573.5025580%3533%1109.20K198.6094.00106.50104.70109.90117.70
K2115.40102.10108.40104.90104.6083.80
K3115.40121.60111.00110.50113.40140.50
K4115.80105.30106.90103.40112.80106.20
K592.50114.40104.50113.8096.7089.20
R23.0027.706.4410.4016.7057.60
OCA4B3C3D5E3F3
表3正交实验方差分析
Table3Analysisofvarianceoforthogonalexperiments方差来源偏差平方和自由度FP
A2534.0329.86<0.05
B2334.1029.98<0.05
C103.0520.40>0.05
D411.2121.60>0.05
E960.5823.74>0.05
F10524.02240.95<0.05误差514.268
注:
F0.05(4,8=3.84
在直观分析的基础上,对表2中的数据进行方差分析。
当P<0.05时对应的影响因素显著,P>0.05时对应的影响因素不显著。
由表3方差分析
6162
第11期唐建等:
城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化
可知,F、B和A3个因素对纤维素含量测定的影响显著,
C、D和E3个因素对纤维素含量测定的影响不显著。
由于F值的大小表示着效应的大小,在本实验所考查的6个因素中,对纤维素含量测定的影响,作用大小次序为:
F>B>A>E>D>C,与极差分析结果保持一致。
由于纤维素大部分结构为紧密的结晶状态,水解传质阻力较大。
在稀硫酸溶液中回流时间适当,改变其紧密的晶体结构越明显,更有利于纤维素大分子水解成还原糖。
从表2中可以看出回流时间为3h,测得纤维素含量较高,最高时达到132mg/g。
如果回流时间超过3h,测得纤维物含量减小,可能与水解产生的还原糖进一步分解有关。
硫酸浓度过大,这可能使水解产生的还原糖
(葡萄糖进一步降解成小分子化合物:
闭环脱水生成五羟甲基糠醛,五羟甲基糠醛中较活泼的羟甲基断裂生成糠醛,糠醛氢化生成糠醇,糠醇水解生成乙
酰丙酸
[16]
进一步脱羧生成乙酰丙酸和甲酸。
所以
硫酸浓度不应过大,以70%为宜,与传统的72%硫酸水解法相比可以避免样品碳化,造成测定结果误差。
根据以上各因素对纤维素含量测定的影响,确
定其最优化条件(optimumconditions,
OC组合为A4B3C3D5E3F3,即:
脂肪抽提时间4h、硫酸浓度
70%、水解反应温度30ħ、水解反应时间5h、加水稀释硫酸浓度5%、回流时间3h。
2.2精确度实验
为对正交实验结果优化条件的精确度进行验证,取新鲜生活垃圾、填埋初期期生活垃圾、填埋中
期生活垃圾、堆肥腐熟期生活垃圾、厌氧腐熟期生活垃圾样品及葡萄糖标准品,分别编号ⅠⅥ,以优化条件测定其纤维素含量,各样品做5个平行实验。
实验结果如表4。
表4精确度实验结果分析(n=5Table4
Resultofprecisionexperiment
结果实验编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
ⅣVⅥ含量(mg/g
121.9ʃ0.35
108.7ʃ0.30
80.1ʃ0.21
82.3ʃ0.23
91.7ʃ0.23
88.9ʃ0.19
RSD(%
1.03
1.69
1.35
1.19
1.44
0.98
从表4可以看出,各样品RSD(relativestandarddeviation,RSD均小于1.69%,说明优化条件适用于垃圾填埋各个阶段的纤维素的测定,且精度高。
同时对优化条件与传统方法、盐酸水解法进行对比,由图1可看出,条件优化后纤维素含量测得结果比传统方法和盐酸水解法分别提高3.34%14.19%和1.72%21.99%。
优化后的方法使垃圾中纤维素水解完全,说明优化后方法测得纤维素含量更
接
图1优化后方法与传统方法、盐酸水解法比较Fig.1
Comparisonamongoptimizedmethod,traditional
methodandhydrochloricacidhydrolysismethod
近城市生活垃圾中纤维素含量。
2.3回收实验
精密称取已知纤维素含量的垃圾样品1g(91.7mg/g6份,分别加入葡萄糖标准品适量。
按照优化方法进行测定,计算加标回收率,结果见表5。
表5
回收率实验结果(n=6Table5
Recoverytest(n=6
原有含量(mg
加入量(mg测得量(mg回收率(%平均回收率(%
RSD(%
91.7090.00180.5098.6791.7090.00179.9098.0091.7090.00180.5098.6791.7090.00181.1599.7891.7090.00180.0098.1091.70
90.00
181.10
99.33
98.76
0.64
回收率实验结果表明回收率均高于98%,平均回收率为:
98.76%。
相对标准偏差为:
0.64%。
较
传统的方法稳定、精密度高。
7
162
环境工程学报第5卷
3结论
(1测定纤维素含量时各因素影响大小为:
回流时间>硫酸浓度>脂肪抽提时间>加水稀释硫酸浓度>水解反应时间>水解反应温度。
(2测定纤维素含量的最佳条件为:
脂肪抽提时间4h、硫酸浓度70%、水解反应温度30ħ、水解反应时间5h、稀释硫酸浓度5%、回流时间3h。
(3条件优化后,测定纤维素含量RSD小于1.69%,且较传统方法测得含量提高3.34%14.19%;比盐酸水解法提高1.72%21.99%。
平均回收率98.76%。
表明该方法的精度高。
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