玉米芯木质纤维素组分分离研究

摘要

生物质(木质纤维素)是自然界中唯一能够同时提供气体、液体和固体燃料的可再生能源,还可以作为原料生产多种化学品。实现玉米芯木质纤维素的组分分离,进而转化为高附加值的产品,具有非常重要的意义。本论文围绕玉米芯木质纤维素的组分分离进行了以下工作:
　　1.测定了玉米芯木质素中纤维素、半纤维素和木质素三大组分的含量,在此基础上用无机酸(稀硫酸)水溶液对原料进行了预处理。控制稀硫酸溶液浓度0.92％,研究了反应温度、反应时间、固液比等条件对各组分的影响。结果表明,反应温度120℃、反应时间60min、固液比为1:8时,半纤维素含量下降72.7%;但是对纤维素和木质素组分含量影响不大。对处理前后的玉米芯进行SEM和XRD分析,结果表明,稀硫酸处理后原料微观结构发生一定程度的断裂,表面变得疏松多孔,玉米芯中纤维素结晶区和无定形区均有变化,结晶区变化更明显。
　　2.以甲酸/乙酸/水溶液为溶剂分离玉米芯木质纤维素的各组分。通过正交试验法研究了溶剂配比(甲酸/乙酸/H2O)、反应温度及反应时间对分离纤维素、半纤维素和木质素三大组分的影响。得到了组分分离的最佳条件分别为:①纤维素:甲酸/乙酸/H2O为2/5/3,温度60℃、反应时间3h;②半纤维素:甲酸/乙酸/H2O为2/5/3、温度60℃、反应时间2h。③木质素:甲酸/乙酸/H2O为3/5/2、温度100℃、反应时间4h。利用FTIR、XRD对分离得到的三大组分进行结构、性质分析,半纤维素和木质素的基本结构没有改变,纤维素组分的结晶度随着有机酸水溶液中甲酸比例提高有一定程度降低。
　　3.采用响应面法(RSM)详细研究了从玉米芯中分离提取木质素的条件。得到影响木质素收率的因素顺序为:反应温度>溶剂配比>反应时间,最优化的分离条件为:甲酸/乙酸/H2O为4/5/1,91℃下反应4h,木质素的收率达70.16%。利用FTIR、UV、TG和1HNMR等对所得木质素的结构和性质进行表征。结果显示,有机酸水溶液提取的木质素分子中同时含有紫丁香单元(S)、愈创木基单元(G)和对羟基苯丙烷单元(H),连接方式为β-O-4型,具有典型的草本木质素结构特征,组分结构破坏较小,纯度较高。热重分析表明,该木质素具有很好的热稳定性。有机酸水溶液处理法是提取高纯度玉米芯木质素的有效方法。

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第一章 文献综述

1.1 木质纤维素资源化意义

1.2 木质纤维素的结构

1.2.1纤维素

1.2.2 半纤维素

1.2.3 木质素

1.3 预处理

1.3.1 木质纤维素预处理的必要性和目的

1.3.2 物理预处理

1.3.3 化学预处理

1.3.4 物理化学方法

1.3.5 生物预处理

1.4 组分分离

1.4.1 组分分离方法评价标准

1.4.2 蒸汽爆破法

1.4.3 离子液体法

1.4.4 磷酸法

1.4.5 有机溶剂处理

1.5 课题研究内容及意义

第二章 玉米芯木质纤维素组分分离研究

2.1 实验主要仪器及试剂

2.1.1 原料

2.1.2 主要仪器

2.1.3 主要试剂

2.2 原料组分含量的测定

2.2.1 葡萄糖标准曲线的测定[63]

2.2.2 木糖标准曲线的测定

2.2.3 硫代硫酸钠溶液的配制及标定

2.2.4纤维素测定方法[64]

2.2.5半纤维素测定方法[64]

2.2.6 木质素的测定方法[64]

2.3 玉米芯木质纤维素预处理

2.3.1 预处理实验过程

2.3.2 预处理实验设计

2.3.3玉米芯木质纤维素预处理的影响因素

2.4 组分分离实验

2.4.1 纤维素的制备

2.4.2 半纤维素的制备

2.4.3 木质素的制备

2.4.4 实验装置和流程图

2.4.5 正交试验设计和响应面实验设计

2.4.6 组分分离效率影响因素分析

第三章 结果与讨论

3.1 玉米芯原料组分含量的测定

3.1.1 DNS法测半纤维素含量

3.1.2 纤维素含量测定

3.1.3 木质素含量测定

3.1.4 玉米芯木质纤维素组分测定结果

3.2 玉米芯木质纤维素预处理

3.2.1 酸预处理对玉米芯主要化学成分的影响

3.2.2 预处理后的木质纤维素表征

3.3 玉米芯木质纤维素全组分分离

3.3.1 组分分离正交试验结果

3.3.2 各组分正交试验结果分析

3.3.3 各组分表征

3.4 木质素的响应面优化实验

3.4.1 响应面实验设计及结果

3.4.2 实验数据的响应曲面分析

3.4.3 最佳提取条件的验证

3.4.4 碱木质素的提取

3.4.5 木质素产品的理化性质

3.4.6 木质素结构表征

第四章 结论

参考文献

硕士学位期间发表论文

致谢