草酸强化竹材预水解组分溶出规律的研究

来源 :福建农林大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:lolotang530
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随着溶解浆需求的扩大及国内木材资源的不足,寻求一种可替代资源生产溶解浆越来越受到人们的关注。生产竹溶解浆不仅可以解决原料不足的问题,而且也能实现竹材资源的高值化利用。预水解硫酸盐法是制备溶解浆的最主要方法之一,而稀酸预处理是最常用的预处理的方式之一。为了提高半纤维素的脱除效率且不严重降解纤维素,论文用草酸作为有效脱除半纤维素的手段,分析草酸预处理过程中竹材组分的溶出及降解规律,探求选择性脱除半纤维素的较佳草酸预水解工艺,以期为后续的制浆漂白工艺提供理论依据和技术支持。研究了水解过程中水解温度及草酸用量对水解液pH及水解得率的影响,探明了水解液pH与水解得率之间的关系。结果表明,水预水解过程中,水解液的pH及水解得率随时间的延长而降低,且温度越高,下降越快;温度为150℃时,水解得率与pH成一直线关系,大于150℃时,成另一直线关系,两直线斜率差别不大,但截距相差较大,即温度升高加快了半纤维素的脱除。草酸预水解过程中,水解得率随时间的延长和草酸用量的增加而降低,草酸用量越大,水解得率越低;pH的变化与初始草酸用量有关,草酸用量为1%时,pH基本维持在3.2~3.3之间,当草酸用量大于1%,pH随着时间的延长而升高;水解得率与水解液pH成线性关系,斜率与初始草酸用量有关。研究了草酸预处理水解液中糖组分(木糖和葡萄糖)及其降解产物(糠醛和羟甲基糠醛)浓度的变化,探明了木糖、葡萄糖等单糖及总糖浓度、糠醛和羟甲基糠醛浓度随草酸用量和反应时间的变化规律。结果表明:单糖、总糖浓度随时间的延长出现先增加后减小的趋势,转折的快慢与草酸用量有关,草酸用量越大,转折越快;糠醛和羟甲基糠醛浓度随水解时间及草酸用量的增加而增加,不同的是糠醛在水解后期出现略微下降的趋势。研究了草酸预处理后竹材纤维素得率、聚合度DP及结晶度的变化,分析了草酸预处理过程中纤维素的降解规律;此外通过半纤维素脱除率与纤维素聚合度变化的分析,优化了选择性脱除半纤维素的草酸预水解工艺。结果表明:纤维素含量及聚合度随水解时间及草酸用量的增加而降低,纤维素结晶度随随水解时间及草酸用量的增加而增大。通过对半纤维素脱除率及纤维素聚合度、得率之间的关系探讨,得出在草酸用量3%、水解温度160℃、水解时间30min时,表现出较好的水解选择性,此时,半纤维素脱除率为65%,纤维素的DP为1250。草酸预水解纤维素降解动力学属于一级反应,温度的提高及草酸用量的提高,均能大幅度提高纤维素降解反应速率;草酸用量高,其活化能下降。草酸用量为3%和5%时,其降解活化能分别为73.69kJ/mol、32.14kJ/mol。研究了草酸预水解过程中竹材木素的溶出规律。研究表明:竹片在预水解过程中,木素类物质会从竹片内部迁移至竹片表层和表面,竹片表面的木素呈球状和片状,并且迁移量会随着水解强度的提高而增加。水解竹片中木质素含量随着预水解时间的延长先下降再增加,且草酸用量越大,增加的速率也越大,草酸用量为1%时,其增长斜率为0.0152,草酸用量为10%时,其增长斜率为0.0275。利用CP/MAS13C-NMR(核磁共振)分析得知水解过程中木素结构发生变化,木素芳基醚键(β-0-4)断裂,造成水解后竹片酚型木质素含量提高。通过对综纤维素的FT-SEM分析,水解后纤维表面存在沟壑,且有微球状物质附着,说明在预水解过程,纤维素和半纤维素降解产物会形成假木质素类物质,并以微球的形式附着在竹片表面。
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