溶解浆预水解液中水溶木素的结构解析及自沉析机制

作     者：张金超 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴朝军

授予年度：2019年

学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 082201[工学-制浆造纸工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：竹柳 溶解浆 预水解液 可溶木素 选择性去除 

摘      要：溶解浆是一种高纯度的精制浆,它可以作为多种纤维衍生物的生产原料。预水解是基于硫酸盐法生产溶解浆过程中的关键一步,其目的是在保护纤维素的前提下尽可能地从纤维原料中去除半纤维素。溶解浆的生产过程非常符合生物质精炼的概念,预水解过程中产生的预水解液包含大量有机物,如木糖、葡萄糖、乙酸、糠醛和可溶木素。然而预水解液中可溶木素的结构、组成较复杂,难选择性脱除,影响预水解液中其它组分的进一步资源化利用和自身利用。本文以竹柳为原料,探索了在预水解阶段添加磷酸对原料和预水解液主要组分的影响,结果表明,在预水解阶段添加磷酸可以有效脱除竹柳原料中的半纤维素,并在一定程度上阻止纤维素不受降解。在预水解液中发现有大量糖类物质(单糖和寡糖)和少量可溶木素、乙酸、甲酸、和糠醛等物质,其中木糖和葡萄糖是预水解液中浓度最高的糖,而且主要以寡糖的形式存在。温度和时间是影响预水解效果的关键因素,预水解液中溶解物质的浓度随着P-因子的增加而增加。竹柳通过优化的预水解工艺,再加上硫酸盐蒸煮和漂白可制备出合格的粘胶级溶解浆。最终制备的粘胶级溶解浆的α-纤维素含量、聚戊糖含量和聚合度分别为92.1%、4.77%和675,其反应性能达到8.10秒。通过最佳预水解工艺制备出竹柳预水解液,采用活性炭吸附法从竹柳预水解液中分离出可溶木素,通过红外光谱(IR)、核磁共振氢谱(H-NMR)、二维核磁波谱(2D HSQC)和热重分析(TGA)对其结构进行表征与分析。研究表明,竹柳预水解液中主要存在紫丁香基(S)型和愈创木基(G)型可溶木素结构和少量对-羟苯基(H)型可溶木素,可溶木素结构单元之间的主要连接方式为β-β、β-O-4、β-1和β-5。另外,在竹柳预水解液中还检测到肉桂醇和阿魏酸酯结构型可溶木素。采用氯化钙、硫酸铝、阳离子聚丙烯酰胺及阳离子聚丙烯酰胺/硫酸铝组合的方式处理预水解液,研究处理方式对预水解液中可溶木素和糖含量的影响,探索可溶木素自沉析机制。结果表明,氯化钙最佳用量为2.0%时,可溶木素的选择性去除率高达94.80%,此时可溶木素去除率为8.09%。硫酸铝最佳用量为300ppm时,可溶木素及其选择性去除率分别为18.32%和55.46%。阳离子聚丙烯酰胺处理预水解液时,总糖的损失率随着CPAM用量的增加而增加。阳离子聚丙烯酰胺/硫酸铝组合处理最佳用量为60/300 ppm,此时可溶木素去除率为25.0%,可溶木素选择性去除率为56.07%。以上结果表明,氯化钙可能是通过静电中和与吸附作用来去除预水解液中的可溶木素,硫酸铝通过电中和与絮凝沉淀双重作用来去除可溶木素,阳离子聚丙烯酰胺通过电中和与絮凝架桥作用使可溶木素粒子体积增加,从而使可溶木素胶体分子沉淀析出。