亚临界水中木质素的降解条件与机理探索

摘要

木质素广泛存在于植物细胞中，是自然界中仅次于纤维素的第二丰富的天然高分子，由苯丙烷单元通过醚键和C-C键结合而形成的复杂网络状高聚物。木质素由于结构复杂，导致其长期以来难以被有效利用。随着矿物质资源的日益枯竭和人们对环境的关注，天然高分子材料的转化利用受到了高度重视。木质素是生物质各组分中蕴藏能量最高的成分，也是其中唯一含有苯环结构的组分，可以通过降解、改性或者化学修饰可获得高附加值利用，例如转化为生物质油和化学品等，是一种可再生的生物质资源。因此，高效无污染地降解木质素，是提高其资源利用率的一种重要途径。作为水的一种特殊热力学状态，亚临界水表现出很多特殊的物理化学性能，例如既可以溶解有机物，也可以同时作为酸基催化剂前驱体等等。本论文通过探索亚临界水中木质素的降解反应及其产物，研究木质素在亚临界水中的降解条件和降解机理。
　　首先，通过亚临界水处理水稻秸秆并对其产物进行分析，发现液态产物中存在苯环结构，从而证实水稻秸秆组分中的木质素发生了降解。其次，通过在亚临界水中对从水稻秸秆中分离出来的木质素溶液进行降解实验，发现木质素可以发生降解的温度为240℃～280℃，压强为2.1 MPa～19.0 MPa，增大压强有利于木质素降解。
　　探索试剂级脱碱木质素(DL)在亚临界水条件下，反应温度、压强和时间对其降解的影响。实验结果表明:温度从240℃升高到280℃，明显促进了木质素的降解，使得木质素降解率从62.6％升高到71.5％;反应温度为280℃时，反应前通入氮气增加压强，使得木质素的转化率先升高后降低，在反应前通入4 MPa氮气时木质素到达最大降解率67.1％。
　　通过UV、TOC和GC-MS对DL木质素在亚临界水中的液态产物成分和结构进行分析;通过元素分析、FT-IR和TG对其固态产物结构进行了表征。根据对降解产物的分析，探讨了木质素在亚临界水中的降解机理，发现:亚临界水体系中的水合离子，通过对木质素的亲电作用而引发其发生降解;在亚临界水降解过程中，首先发生裂解的是木质素结构中连接各基元结构单元之间的化学键，如C-O键和部分C-C键等;木质素在亚临界水中降解后的液态产物主要为苯酚等小分子芳香族化合物。
　　为了验证木质素降解机理，考查亚临界水是否对各种来源及不同分离方法得到的木质素均可有效降解，我们选择了水稻秸秆木质素和竹木质素在亚临界水中的降解行为。结果表明，亚临界水可以有效降解这两种木质素;升高温度和增大压强，均能提高液态产物中芳香族物质的含量，同时提高固态产物的热稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 木质素的结构与其基本特性

1．1．2 木质素的应用研究进展

1．2 木质素的降解研究进展

1．2．1 物理降解方法

1．2．2 微生物降解方法

1．2．3 化学降解方法

1．2．4 水相降解木质素研究进展

1．3 研究课题的提出和本论文主要研究内容

1．3．1 论文研究课题的提出

1．3．2 主要研究内容

第2章 亚临界水降解木质素的条件探索

2．1 引言

2．2 亚临界水降解木质素可行性研究

2．2．1 实验过程

2．2．2 表征方法

2．2．3 结果与讨论

2．3 亚临界水降解木质素条件探索

2．3．1 实验过程

2．3．2 结果与讨论

2．4 不同条件对木质素转化率的影响

2．4．1 实验过程

2．4．2 结果与讨论

2．5 本章小结

第3章 亚临界水降解木质素的机理研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 表征方法

3．3．1 液态产物表征方法

3．3．2 固态产物表征方法

3．4 结果与讨论

3．4．1 液态产物

3．4．2 固态产物

3．4．3 木质素降解的机理分析

3．5 本章小结

第4章 水稻秸秆木质素和竹木质素降解性能对比研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 实验原料

4．2．2 水相降解过程

4．3 表征方法

4．3．1 液态产物表征方法

4．3．2 固态产物表征方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 水稻秸秆木质素与竹木质素降解产物的差异

4．4．2 不同条件降解水稻秸秆木质素的降解产物分析

4．5 本章小结

结论及工作展望

结论

工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果