深度低共熔溶剂提取木质素及其加氢研究

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随着化石资源的短缺以及环境污染的加重,人们越来越重视生物质资源的开发与利用。木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素这三大组分在化学品的生产方面应用广泛。然而三大组分之间存在复杂化学键连接使得将其直接转化利用效率不佳,因此需要选择合适的分离手段将三大组分分离开来。三大组分中的木质素是唯一含有芳环结构的天然大分子,对其进行利用可以生产多种芳香族化学品和燃料。但木质素结构复杂,在解聚时易发生再聚合反应,易结焦或积炭。此外在提取木质素和木质素解聚过程中均需要加入额外的溶剂,增加了成本。因此本论文首先采用水热-深度低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents,简称DES)分离三大组分,然后直接对溶解在DES中的木质素进行催化加氢,在温和的条件下实现了木质素的选择性解聚。本论文将利用DES提取木质素和木质素的加氢有机结合起来,节约了提取木质素时需要的大量溶剂和木质素加氢时需要加入的反应溶剂,有助于降低这一工艺未来工业化的成本。本论文的主要内容如下:(1)采用水热-DES两步法对桉木粉进行组分分离,考察了反应条件对分离效果的影响。结果表明:在反应条件为170℃、1 h时,半纤维素的脱除率为80.2%;水热残渣在120℃经氯化胆碱(简写为Ch Cl)-甲酸、Ch Cl-乙酸和Ch Cl-乳酸DES处理4 h后,水热残渣的固体溶解度分别为35.9%、34.7%和34.5%,纤维素的回收率分别为91.0%、91.4%和92.0%,木质素的脱除率分别为87.8%、88.2%和87.1%。并对得到的纤维素材料进行FT-IR、XRD和SEM表征,这些表征结果均表明纤维素材料中基本上不含木质素,说明经过水热-DES处理可以破坏三大组分之间的化学键和氢键连接,可使半纤维素和木质素脱除,得到纯度较高的纤维素材料。(2)对直接溶解了木质素的DES滤液进行加氢解聚研究。结果表明:在所制备的Ru基催化剂中Ru/γ-Al2O3由于具有合适的BET表面积、最大的孔容和孔径分布,其在Ch Cl-乙酸体系下对木质素进行加氢解聚有最好的效果。在最佳反应条件下(220℃、4 h、催化剂用量100 mg),在Ch Cl-乙酸和Ru/γ-Al2O3催化剂的共同作用下,木质素转化率、固体残渣率、液态产物产率以及酚类产物产率分别为81.4%、4.5%、20.5%和18.2%;通过催化剂循环实验发现Ru/γ-Al2O3催化剂具有一定的循环使用效果,这有效地减少了工业化应用的成本。
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