基于高效预处理的桉木高纯度溶解浆制备技术研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ymqlove
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溶解浆是一种α-纤维素含量90%以上的高纯度化学浆,可替代棉麻等天然高纤维素纤维用来生产粘胶纤维、醋酸纤维、纤维素硝酸酯、纤维素醚等高附加值产品,广泛应用于纺织、烟草、国防、电子产品制造等国民经济各领域。本研究基于纤维素、木质素、半纤维素等植物纤维原料三大组分利用的生物质精炼理念,探讨一种能够用于高纯度溶解浆制造的工艺路线。论文采用较为成熟的硫酸预处理,通过响应面优化预处理条件,并用硫酸盐法制备高纯度溶解浆;采用四种常见有机酸预处理桉木,并系统比较了这四种有机酸预处理对溶解浆性能的影响;采用乳酸/氯化胆碱(DES)低共熔溶剂,制备高纯度溶解浆。以桉木预处理液中还原糖回收量和固体木聚糖脱除率为考核指标,采用响应面(RSM)分析方法对制溶解浆所用温度、时间和硫酸用量等预处理条件进行了优化。在实验探讨的条件范围内,预处理条件对预处理木聚糖脱除率影响程度大小排序为:酸含量>温度>时间。采用优化预处理条件(温度150℃,时间2h,H2SO4用量1%),结合硫酸盐蒸煮和ECF漂白制成了一种高纯度溶解浆:α-纤维素含量98.67%、粘度379.6m L/g、白度88.81%ISO、Fock反应性99.23%,聚合度为515。溶解浆具有高α-纤维素含量和反应性特点。对该溶解浆制造过程进行物料质量平衡计算,如果完全回收预处理液中还原糖以及木质素以及蒸煮黑液中木质素等组分,生物质理论综合利用率达60.03%。系统比较了乙酸、柠檬酸、马来酸和草酸等四种常用有机酸预处理制高纯度溶解浆的性能。与硫酸预处理一样,四种有机酸预处理,桉木木片的半纤维素能被有效地去除,且有机酸预处理液中的低聚糖等组分可更好地被回收利用,其中乙酸预处理显示了良好的制溶解浆性能,可能是因为在乙酸预处理过程中,木质素能溶解于醋酸并在木片表面形成木质素膜,减缓了预处理过程中纤维素降解和损失,而其它有机酸则引起纤维素的严重降解。与其他三种有机酸预处理法比较,乙酸预处理法制取的溶解浆得率最高(31.66%),其α-纤维素也最高(98.28%)。对乙酸预处理制备溶解浆的生物质综合利用进行了评价。通过物料质量平衡计算,在乙酸预处理制溶解浆过程中可回收聚糖类物质43.8%(还原糖12.14%,溶解浆纤维素31.66%),木质素22.24%(乙酸木质素0.29%,硫酸木质素21.95%),生物质理论综合利用率可达66.04%。研究结果显示,四种有机酸预处方案中,乙酸预处理制溶解浆法最有发展前途,可实现桉木中生物质资源的更大化利用。探讨了采用低共熔溶剂(DES)制备高纯度溶解浆的新方法。研究发现,采用DES循环处理桉木,能够有效移除木片中的大量木质素和木聚糖;脱除的木质素也有良好的回收性,且DES多次用于木片处理后仍具有反应性,预处理后的桉木可用于制备溶解浆。将回收的木质素进行FT-IR和凝胶色谱(GPC)表征,结果表明木质素结构特征峰仍旧存在,并且DES处理获取的木质素的平均分子量大于硫酸盐木质素。与水热预处理硫酸盐法(PHK)制取的溶解浆相比,使用低共熔溶剂预处理硫酸盐法(DES-BKP)制取的溶解浆具有得率高(37%)、α-纤维素含量高(94%)、白度高(88.98%)和Fock反应性好(98.9%)的优势。但溶解浆的纤维外观形貌分析表明,DES预处理后制备的两种溶解浆纤维表面被“剥离”出许多薄碎片,浆料中细小纤维含量(Fw)偏多。纤维质量分析仪(FQA)分析的纤维平均长度和细小纤维含量分别为:(1)DES-BKP溶解浆,Lw为0.623mm、Fw为8.46%;(2)PHK溶解浆,Lw为0.663mm、Fw为3.95%。对桉木原料经预处理、蒸煮和漂白等工序制备DES-BKP溶解浆过程的物料质量平衡计算显示,固体纤维素回收率为37%,水解液中副产物回收率为9.36%,DES木质素回收率为23.38%,生物质理论综合利用率为69.74%。研究结果显示DES预处理用于溶解浆制备技术是可行性的,具有较高的溶解浆得率、纤维素纯度和生物质综合利用率。将水热法预处理、稀硫酸预处理、响应面优化硫酸预处理、乙酸预处理以及乳酸/氯化胆碱预处理制备的溶解浆从溶解浆性能和经济性能比较,若能有效解决乙酸回收和DES重复利用等问题,乙酸预处理和DES预处理制备溶解浆将会具有广阔的前景。
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