基于生物质精炼的龙须草制浆过程及纳米纤维素制备的研究

摘要

溶解浆是一种高品质的纸浆产品，具有高纤维素含量(＞90%)，低半纤维素含量(＜4%)和少量的灰分和抽提物，可用于生产纺织品、纤维素醚、高档纸品、玻璃纸和纳米纤维素材料等。纳米纸是由纳米纤维素通过干燥等方式除去溶剂自组装而得，在柔性电子产品、包装阻隔材料、超级电容器电极等诸多领域具有广泛的应用价值。 本文采用生物质精炼的理念，以我国西南地区常见的草类植物龙须草为原料生产溶解浆。首先通过稀硫酸辅助的预水解对龙须草进行处理，在160℃、0.2wt%稀硫酸处理的优化预处理条件下，纤维素收率为70.4%，半纤维素去除率为89.5%。采用IR、XRD、SEM、元素分析等表征手段对稀硫酸处理后龙须草纤维形貌、结构和组成进行了分析。稀硫酸预处理糖液经过西格玛类的漆酶脱毒去除70%的酚类；通过电渗析纯化，去除90%糠醛抑制物；再经过膜浓缩技术得到浓度为21.84g/L的高纯木糖糖液，其中酚类、糠醛等抑制物的含量约0.79g/L，低于有关文献数据；该糖液经催化加氢转化得到二醇的总转化率高达63.7%，高出相关文献中纯的葡萄糖糖液转化率14%。 进一步采用亚硫酸铵(AS)和KOH处理龙须草纤维，优化亚硫酸铵用量、反应时间、添加剂、液固比、AS与KOH处理先后顺序等实验因素，经过使用30wt%的AS在液固比为8的条件下160℃处理2.5h，再使用6wt%KOH在液固比为6的条件下140℃处理2h，木质素的总脱除率可达91.7%。采用IR、XRD、SEM、SEM-EDS、元素分析等表征手段对处理后的纤维固体和黑液分别进行表征，结果表明亚硫酸铵和KOH处理后的黑液中含有大量的C、O、N、S、K等元素，而几乎不含Cr、Hg、Pb等重金属盐离子，充分证明该龙须草木素黑液可以通过后续的氧化氨化生产氮肥和钾肥。 通过漂白精制进一步纯化龙须草纤维，经优化纤维素纯化工艺后，所得溶解浆中α-纤维素含量为92.2%，聚合度为544，反应活性为53.8%，符合粘胶生产用溶解浆的质量要求，比普通商品溶解浆表现出更高的反应活性。通过IR、XRD、SEM、元素分析等表征对龙须草溶解浆的形貌、结构进行分析，可知溶解浆的结晶度高达76.7%，为现有文献中龙须草纤维结晶度的最高值。 采用上述溶解浆以及未经漂白处理的纤维，通过甲酸水解结合高压均质法制得不同木质素含量的纳米纤维素(CNF)，再经抽滤法烘干得到纤维素纳米纸。通过TEM、TG、拉力机测试等手段对CNF、纳米纸的粒径分布、热稳定性、机械强度进行测试，结果证明制备的龙须草纤维素纳米纸具有较高的热稳定性、优越的机械性能(抗拉强度和韧性分别为254.8MPa和19.5MJm-3，远高于普通纳米纸)，因而在膜法水处理技术领域具有潜在的应用价值。 本文基于生物质精炼的理念采用廉价、清洁、高效的三步法处理应用于龙须草的制浆过程，不仅制得高反应活性的溶解浆，还得到木质素有机肥料和高附加值的二醇产品，而溶解浆和龙须草纤维还可进一步制备纳米纤维素和性能优异的纳米纸，从而建立了龙须草各组分综合利用的中试级工艺平台，为实现生物质的三素分离与综合利用提供了新途径。

目录

前言

1 文献综述

1.1 生物质资源

1.1.1 生物质与生物质资源概述

1.1.2 生物质的组成成分

1.2 生物质精炼

1.2.1 生物质精炼理念

1.2.2 基于生物质精炼的预处理方法

1.2.3 预处理对酶解糖化的影响

1.3 生物质制浆工艺

1.3.1 复合型制浆

1.3.2 制浆造纸与生物质精炼的结合

1.3.3 溶解浆的制备及应用

1.3.4 溶解浆市场

1.3.5 PHK制浆

1.4 生物质为原料制备纳米纤维素

1.4.1 纳米纤维素的分类和制备方法

1.4.2 纳米纤维素的应用

1.4.3纤维素纳米纸

1.5龙须草

1.6选题依据

2 稀硫酸预水解脱除半纤维素的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 实验原料

2.2.4稀酸辅助的龙须草预水解

2.2.5 预水解糖液的漆酶脱毒

2.2.6 预处理糖液的电渗析纯化

2.2.7 龙须草样品成分分析的方法

2.2.8 龙须草样品的表征

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 龙须草固体原料各组分含量

2.3.2稀硫酸预水解时温度和酸浓度对半纤维素脱除效率的影响

2.3.3龙须草稀硫酸预水解糖液各组分含量

2.3.4 漆酶脱毒后电渗析时间对糖液各参数变化的影响

2.3.5 不同原料的糖液的二醇加氢催化转化实验

2.4 本章小结

3 亚硫酸铵和氢氧化钾脱除木质素的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验过程

3.3实验结果与讨论

3.3.1亚硫酸铵脱除木素实验

3.3.2 龙须草亚硫酸铵处理各参数对木素脱除的影响

3.3.3 龙须草亚硫酸铵和KOH处理顺序对脱木素效果的影响

3.3.4 龙须草亚硫酸铵处理时试剂用量对KOH进一步脱木素的影响

3.3.5使用高浓度的KOH脱木素与使用AS+KOH对比

3.3.6高浓度的NaOH脱木素与AS+KOH处理对比

3.3.7亚硫酸铵和KOH处理的黑液成分分析

3.4 本章小结

4 龙须草漂白精制制备溶解浆的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 实验过程

4.2.4铜乙二胺法测定聚合度

4.2.5 溶解浆反应活性的测定

4.2.6表征方法

4.3 实验结果与讨论

4.3.1龙须草溶解浆的各组分及参数分析

4.3.2 龙须草预处理制浆过程中纤维形貌变化的SEM分析

4.3.3 龙须草预处理制浆过程中纤维结晶度变化的XRD分析

4.3.4 龙须草预处理制浆过程中纤维结构变化的IR分析

4.4 本章小结

5 龙须草纳米纤维素及纳米纸的制备

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验试剂

5.2.2 实验仪器

5.2.3 实验过程

5.2.4 表征方法

5.3 结果与讨论

5.3.1龙须草纳米纤维素的透射电镜分析

5.3.2 龙须草纳米纤维素的热稳定性分析

5.3.3 龙须草纳米纤维素膜的机械性能分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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