桉木半纖維素稀硫酸和高溫?zé)崴A(yù)提取工藝研究

桉木半纖維素稀硫酸和高溫?zé)崴A(yù)提取工藝研究

發(fā)達(dá)國(guó)家積極倡導(dǎo)生物精煉的概念。換句話說(shuō)，在傳統(tǒng)的化學(xué)-法漿糊理論之前，首先提取植物原料中的半纖維，然后通過后續(xù)轉(zhuǎn)化和加工生成乙醇和其他增值產(chǎn)品，以防止半纖維在堿性回收系統(tǒng)中燃燒和浪費(fèi)資源。制漿前提取半纖維素的方法主要有熱水預(yù)提取和堿預(yù)提取。Helmerius等用高溫?zé)崴土蛩猁}法制漿白液從樺木中提取出半纖維素,并制備丁二酸。Lopez等用堿預(yù)提取,從麥草中提取出57%的半纖維素,紙漿強(qiáng)度指標(biāo)與對(duì)照實(shí)驗(yàn)差別不大。本文基于生物質(zhì)精煉與制漿相結(jié)合的構(gòu)想,對(duì)桉木碎屑采用稀硫酸和高溫?zé)崴A(yù)提取半纖維素,初步探討了酸濃度、溫度和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)半纖維素木糖等還原性糖的提取效果的影響,確定半纖維素預(yù)提取的最佳條件,并利用水解液制備了球形碳材料。對(duì)機(jī)理進(jìn)行了分析。1實(shí)驗(yàn)部分1.1水轅及其他參數(shù)桉木(取自吉林造紙廠,粉碎后使用);DMS試劑實(shí)驗(yàn)室自制;硫酸;UV紫外可見分光光度計(jì),上海菁華科學(xué)儀器廠;水解釜,長(zhǎng)春市四海公司;冷場(chǎng)發(fā)射透射電鏡,JEOL-6700F,日本精工公司。配制DNS試劑:將6.3g3,5—二硝基水楊酸和262mL2mol/LNaOH溶液,加到500mL含有185g酒石酸鉀鈉的熱水溶液中,再加5g苯酚和5g亞硫酸鈉,冷卻后加蒸餾水定容至1000mL,保存?zhèn)溆谩?.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制稱取預(yù)先干燥至恒重的木糖1.0000g,定容至100ml,即得1%木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液。準(zhǔn)確吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液0,0.5,1.0,1.5,2.0mL于25ml容量瓶中,加入蒸餾水稀釋制成濃度為0,200,400,600,800μg/mg的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。取上述木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液1.0ml,DNS溶液2.0ml,于沸水浴中加熱5min,顯色后迅速冷卻,加入蒸餾水定容至25ml。另取2.0mlDNS溶液,加入蒸餾水定容至25ml,作為空白溶液,用分光光度計(jì)測(cè)定480nm處的吸光值,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。1.2.2木糖濃度的測(cè)定取一定量桉木碎屑,置于三口燒瓶中,加入一定體積的稀硫酸溶液(體積百分比2%,3%,4%,5%,6%,7%),固液比115,加熱至沸,冷凝裝置回流,從體系開始沸騰起計(jì)時(shí),每隔一個(gè)小時(shí)取樣一次,分別測(cè)定水解液中木糖的濃度。1.2.3木糖濃度的測(cè)定取一定量桉木碎屑,放入50mL帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的水解反應(yīng)釜中,按比例加入除鹽水,固液比110,擰緊釜蓋,放入已經(jīng)升到指定溫度的鼓風(fēng)干燥箱中,加熱一定時(shí)間后將釜取出,自然降至室溫后過濾分離水解液和桉木殘?jiān)?測(cè)定水解液中木糖濃度。1.2.4木糖原位縮聚碳球法水解液倒入帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的水解反應(yīng)釜,置于鼓風(fēng)干燥箱中,在170℃和反應(yīng)釜內(nèi)自生壓力下,木糖原位縮聚形成碳球。抽濾固液分離,100℃烘干得到黑色碳粉末。2結(jié)果與討論2.1氨基-5-硝基水揚(yáng)酸還原糖含量的測(cè)定DNS法測(cè)定水解液中木糖含量。DNS在堿性、沸騰的條件下與糖類化合物的還原基團(tuán)發(fā)生反應(yīng),生成了3-氨基-5-硝基水揚(yáng)酸,其產(chǎn)物在煮沸條件下顯色,其顏色深淺與還原糖含量有比例關(guān)系,利用這一原理測(cè)定還原糖的含量。利用分光光度計(jì)測(cè)定480nm處的吸光值,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,其回歸標(biāo)準(zhǔn)方程為:Y=-0.01060+0.00096X,R2=0.9994。提取液稀釋一定倍數(shù)后,用DNS法測(cè)定木糖濃度。2.2桉木半纖維素解合液如圖1,隨著酸濃度和反應(yīng)時(shí)間的增加,木糖濃度先增加,在3%稀硫酸預(yù)提取4h后木糖濃度達(dá)到最大值19.224g/L。桉木半纖維素聚木糖側(cè)鏈上的乙酰基和糖醛酸基在水解過程中脫落釋放成為乙酸和糖醛酸等游離酸性物質(zhì)。隨著水解的繼續(xù)進(jìn)行,半纖維素在酸性成分的催化作用下,不斷地水解產(chǎn)生以木糖為主的多糖,單糖以及酸性成分,從而水解液中木糖含量升高。酸濃度過大及反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng),都會(huì)引起木糖的過度碳化而使木糖濃度下降。2.3反應(yīng)溫度對(duì)木糖水解液木糖產(chǎn)率的影響如圖2高溫?zé)崴A(yù)提取,隨著溫度和時(shí)間的增加,木糖濃度增加,170℃預(yù)提取4小時(shí),木糖濃度達(dá)到14.329g/L。當(dāng)溫度超過170℃,水解液中的木糖脫水生成糠醛的速度加快,對(duì)提高木糖的產(chǎn)率不利。反應(yīng)4個(gè)小時(shí)以后木糖濃度增長(zhǎng)比較緩慢,從木糖濃度和能源消耗兩個(gè)方面考慮,170℃預(yù)提取4小時(shí)為最佳條件。2.4碳材料的表征按1.2.4,3%稀硫酸預(yù)提取4小時(shí)后的水解液,制備碳材料。透射電鏡結(jié)果顯示如圖3。碳球有團(tuán)聚現(xiàn)象,粒徑不均勻,分散性差。高溫?zé)崴?70℃預(yù)提取4小時(shí)后的水解液,制備碳材料。透射電鏡結(jié)果顯示如圖4。碳材料為球形,平均粒徑在5微米,粒徑均勻分布,分散性好。2.5木糖側(cè)鏈的水解反應(yīng)半纖維素分子鏈?zhǔn)紫葦嗔褳槟咎堑凸簿畚?然后再被水解為單糖。木糖可以反應(yīng)為糠醛、糠醇樹脂或者聚合成碳等其它物質(zhì)。半纖維素水解過程中,木糖側(cè)鏈的乙?；吞侨┧峄D(zhuǎn)變成乙酸等酸性物質(zhì)。半纖維素的水解通常認(rèn)為是兩個(gè)平行一級(jí)反應(yīng)的組合,即快速水解反應(yīng)和慢速水解反應(yīng)。快速水解反應(yīng)是由半纖維素側(cè)鏈的水解形成,側(cè)鏈因空間位置的特點(diǎn),容易受到溶液中氫離子的進(jìn)攻而發(fā)生水解反應(yīng)。慢速水解反應(yīng),是由木糖主鏈的水解形成,主鏈由于處于半纖維素分子的內(nèi)部,聚合度大且性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,對(duì)溶液中氫離子的進(jìn)攻耐受程度高。3反應(yīng)時(shí)間對(duì)木糖提取率的影響通過一系列的對(duì)比試驗(yàn)得出桉木半纖維素常壓稀酸水解最佳條件:稀硫酸濃度3%,溫度100℃,常壓,固液比115,反應(yīng)時(shí)間4小時(shí),木糖提取液濃度為19