微波协助离子液体处理毛竹的研究

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为缓解来自环境和能源的双重压力,世界各国都加大了对可再生资源的开发力度,尤其是生物质资源的开发和利用。作为石油、煤和其他化石资源的理想替代品,生物质资源受到了越来越多的重视。木质纤维生物质产量极其丰富,年产量达10-50×109吨,约占全球生物质总产量的50%。由于木质纤维生物质具有产量巨大、可再生性等优点,木质纤维在功能材料、平台化合物、能源等领域的转化利用已成为21世纪重要的研究方向。生物质毛竹具有产量高、繁殖快、易于种植等特点,在全世界范围内分布非常广泛,仅江西省境内就达62.6万hm2。因此,毛竹生物质的炼制技术的提升对扩大毛竹资源的转化利用具有非常重要意义。离子液体是熔点低于100℃的盐,因其具有可回收再用、无毒、低粘性和热稳定性等特点,被认为是传统溶剂的理想替代品。本研究在微波作用下用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐(EmimOAc)溶解球磨毛竹竹粉,获得木素和富含纤维素的物质,对所获得木素和富含纤维素物质进行物理化学特性分析,并与在传统加热条件下EmimOAc处理时获得木素和富含纤维素物质、以及和碱提取的木素进行比较。在相关实验基础上并阐明在微波作用下毛竹在离子液体中的溶解过程。在110℃油浴加热16小时后仅有24%球磨竹粉溶解于离子液体中,而微波加热时60分钟后球磨竹粉溶解率达到100%。微波由内至外的加热方式极大促进了竹粉在离子液体中的溶解。在加反溶剂再生过程中,水分子使纤维素与离子液体之间的氢键断裂,同时使溶解于离子液体中的纤维素分子之间和分子之内重新形成氢键,结果是导致富含纤维素物质沉淀析出。因此,富含纤维素物质的得率与竹粉溶解率有关。随着微波加热时间延长,未溶于离子液体的竹粉和富含纤维素物质中的木素含量明显下降,在微波辐射80分钟后,富含纤维素物质中的木素含量降至11.1%,仅为原料竹粉中木素含量的50%左右。通过X射线衍射(XRD)分析竹粉在离子液体处理前后的结构变化,原料竹粉的XRD图谱中在22.0°和18.0°出现纤维素的I型晶型峰,而经离子液体处理后此两处特征峰均变弱,说明竹粉中纤维素的晶型从I型转变为II型。再生的富含纤维素物质的XRD图谱中在18.0°处的峰消失,说明再生出的富含纤维素物质中纤维素的晶型是II型,结晶度较低。扫描电镜(SEM)结果显示,经离子液体处理后,由于离子液体润胀纤维素和脱除木素的作用,使得原料竹粉致密的表面变得松散和无规则。再生富含纤维素物质的表观形态相同,纤维结构融合呈相对一致的膜状。通过傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和核磁共振(NMR)分析结果表明,离子液体提取的木素和碱提木素的结构为GSH型,木素结构单元间的主要联接方式为β-O-4′结构,离子液体会导致木素结构单元之间β-β′、β-1′和β-5′联接的断裂。SEM观察毛竹木素的微观形态,发现碱提木素的外观呈球形,而离子液体提取的木素为不规则的块状,颗粒较大。随着微波加热时间的延长,木素颗粒的外形更大。采用热重分析法(TGA)分析了离子液体提取的木素和碱提木素的热解特性,结果显示,木素热解分为三个阶段,热解主要发生在120至400℃之间,最大失重速率发生在296至352℃之间,碱提木素的热稳定性较高。
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