离子液体法提取木质素的研究

论文摘要

随着目前石油、天然气等不可再生资源的过度消耗，促使人们越来越重视可再生资源生物质的开发和利用。作为农业大国，我国的秸秆等农业废弃物生物质产量丰富，但大部分都被露天燃烧处理，造成严重的资源浪费和环境污染。木质素是第三大天然高分子资源，是秸秆的重要组成之一。建立一种高效木质素提取工艺方法，进而对其进行高附加值转化利用，是木质纤维素生物质资源开发重要方向，具有良好的社会经济效益。本论文在以绿色溶剂咪唑基离子液体/水体系处理秸秆的基础上，提出了一种新的生物质组分分离方法。主要研究内容包括：基于离子液体/水体系体系，以处理后秸秆失重和其组成分析结果为考察指标，用傅里叶红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）、热重分析（TG/DTG）、X射线衍射（XRD）、电子扫描电镜SEM等为表征手段，研究在不同温度、时间、压力、离子液体/水质量比和离子液体种类（阴离子：Cl-、Br-和阳离子：C2C10）等条件下对秸秆（4060目）处理过程的影响，确定最佳工艺参数。通过处理物进行的FT-IR、TG和DTG等分析验证了试验中得到的木质素能够很好的保留原有结构，其纯度较好。结果表明：处理时间（04h）的影响不大；随着处理温度从50oC增高到150oC，处理后秸秆的失重增大，从150oC增高到170oC，其略有降低；随着处理压力的增大（最高1MPa），秸秆失重也随之增大，但其组成变化不大；不同阳离子、阴离子的离子液体对实验效果基本一致；混合液中离子液体/水质量比对处理效果的影响大，适量水的加入有利于增大秸秆残渣失重，造成明显的组成变化。综合实验结果和经济上考虑，最佳的处理工艺条件为：1-丁基-3-甲基咪唑氯盐[BMIM]Cl/水（质量比3：2）体系中，在常压（0.1MPa）、处理温度150oC、时间2h、液固质量比20：1条件下，秸秆失重率达到24.3%，秸秆残渣的综纤维素含量达到75.6%，溶解木质素占秸秆木质素总量的48.2%，回收得到木质素约占秸秆中总木质素含量的32.4%。本论文的创新之处在于发现并建立离子液体/水体系处理秸秆的方法，在此基础上提出新的木质纤维素生物质组分分离技术，水的加入降低了离子液体使用成本，提高了实用性。本工作为新的高效生物质转化利用技术的开发提供了一定了实践和理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 木质纤维素简介
• 1.2 木质素概述
• 1.2.1 木质素的结构
• 1.2.2 木质素的物理性质
• 1.2.3 木质素的化学性质
• 1.2.4 木质素的应用
• 1.2.5 木质素提取方法
• 1.2.6 木质素的提取方法的比较
• 1.3 离子液体
• 1.3.1 木质纤维素的离子液体溶剂体系进展
• 1.3.2 木质素在离子液体体系中的溶解
• 1.4 本文研究内容和意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验仪器与药品
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 玻璃仪器
• 2.1.3 实验仪器
• 2.2 离子液体的合成及表征
• 2.2.1 离子液体的合成
• 2.2.2 离子液体的的表征
• 2.3 秸秆预处理及组分测定
• 2.3.1 秸秆预处理
• 2.3.2 秸秆中综纤维素含量的测定
• 2.3.3 秸秆中酸不溶木素测定
• 2.3.4 秸秆中α-纤维素测定
• 2.3.5 秸秆中灰分测定
• 2.4 离子液体对秸秆中木质素的溶解
• 2.5 检测手段
• 2.5.1 红外光谱仪对所得化合物进行表征
• 2.5.2 固体表面结构的表征
• 2.5.3 固体结晶度的表征
• 2.5.4 固体热重分析
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 秸秆中各组分含量测定结果
• 3.2 实验现象与讨论
• 3.3 各实验条件对木质素提取的影响
• 3.3.1 温度对提取率的影响
• 3.3.2 处理时间对提取率的影响
• 3.3.3 离子液体质量分数对提取率的影响
• 3.3.4 压力对提取率的影响
• 3.3.5 不同离子液体对提取率的影响
• 3.4 最优实验及其表征
• 3.4.1 原料秸秆、残渣及粗木质素的扫描电镜图片
• 3.4.2 原料残渣及残渣红外表征
• 3.4.3 原料秸秆与残渣的 XRD 表征
• 3.4.4 原料及残渣的热重分析
• 第四章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢