基于低共熔溶剂预处理分离杨木木质素的研究

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绿色化学是研究者一直关注的问题,而溶剂在其中占据了重要地位。低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvent,DES)是近来发现的一种新型绿色溶剂,在电化学、生物转化等领域都有广泛应用。本论文旨在研究不同组成与配比的DES对木质纤维素的溶解润胀性能。通过配制各类DES,分析其导电率、粘度等性能,研究其种类、配比、温度等因素对木质纤维素溶解润胀性能的影响,探究木质纤维原料各组分在DES溶剂体系中的溶解性能及其分离方法与机理。论文基于DES对杨木木粉的常压加热温处理以及DES对杨木木片加压蒸煮处理,建立了杨木三组分(纤维素、木质素和半纤维素)的分离方法,结合化学降解和波谱分析手段系统表征了分离木质素的结构特性,同时也表征分离后纤维素性能并初步探究了纤维素的应用。论文的主要研究结果如下:1)本论文配制尿素/氯化胆碱、乳酸/氯化胆碱、乙酰胺/氯化胆碱等几种常用的低共熔溶剂,研究其在常温下的状态,及熔点,并探究在50°C时的粘度,电导率等物理性能。通过对比分析不同DES体系对杨木木粉的溶解性能,研究表明乳酸/氯化胆碱(LA/ChCl)的溶解效果明显强于其余DES溶剂,杨木木粉脱除率超过50%,筛选出的LA/ChCl不仅对杨木木粉有较强的溶解能力同时对马尾松木粉和麦草草粉也有较好溶解效果,溶出率都能达到50%左右,说明LA/ChCl DES对木质纤维原料有较好的溶解性能。2)本论文系统研究了LA/ChCl在常压下不同摩尔比、溶解温度、溶解时间对杨木木粉选择性溶出性能。研究表明分离最佳工艺条件为:LA/ChCl摩尔比9:1,溶解温度120°C,溶解时间6 h。其中半纤维素和木质素的溶出率分别为97%和95%,而纤维素基本不溶解,从面实现了三大组分的分离。分析表明DES分离的纤维素晶型结构未发生改变,DES分离木质素纯度达到95%以上。DES木质素的红外光谱分析表明,杨木粉木质素经LA/ChCl DES溶解处理后发生了一定程度的结构变化,DES木质素经硝基苯氧化后得率较原始木质素明显下降,表明DES木质素大量非缩合部分被降解,核磁共振分析表明DES木质素中β-O-4醚键大量被破坏,凝胶色谱分析再生木质素分子量分布,发现其木质素分子量明显降低。3)基于LA/ChCl DES对杨木木粉的高选择性溶解木质素,论文继续研究了LA/ChCl DES蒸煮(高压条件下)对杨木木片的选择性溶解分离木质素,分析了不同蒸煮温度和蒸煮时间条件下杨木木片高效分离木质素的影响。在保温温度为150°C,保温时间在3 h条件下成功实现了杨木木片中木质素78.3%的脱除,在保温温度为140°C,保温时间在1.5 h时,可以分离获得纯度大于95%的木质素,核磁共振分析表明DES蒸煮中木质素中β-O-4醚键大量被破坏,其结果和常压下处理类似,但随着温度的提升,其破坏更严重,表明DES蒸煮不仅仅是木质素溶解,更多的会引起木质素的降解。4)论文基于LA/ChCl DES蒸煮实现了杨木木片的制浆(纤维的分离),杨木木片经DES在在保温温度为140°C,保温时间在1.5 h蒸煮条件下的浆料得率达48.8%,浆料卡伯值为35.5,浆料纤维素聚合为1100,XRD分析表明浆料晶型结构未发生改变。
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