催化增强麦草组分乙醇溶剂法分离效率的研究

发布时间：2020-06-09 06:31

【摘要】：我国属于农业大国,农业秸秆资源丰富,据统计我国每年的秸秆产量为9.84×10~8 t。因此,发展以秸秆为原料的生物质精炼不仅可以使秸秆资源得到充分利用,而且还可以极大地缓解由秸秆焚烧所造成的环境污染问题。目前的秸秆生物质精炼亟需一种清洁高效的组分分离技术,而乙醇溶剂在生物质秸秆资源的清洁分离上具有广阔的前景。因此本课题以麦草为原料,通过引入催化剂和分级分离来解决乙醇溶剂法木素和半纤维素脱除效率低的问题,从而提高麦草组分的分离效果,实现组分的高效分离。主要研究如下:首先,对无催化条件下和CH_3COOH、MgCl_2、H_3PO_4和H_2SO_4催化条件下的麦草三大组分的分离效果进行研究,并对其分离后的粗纤维素和乙醇木素的形态和结构进行表征,然后利用扫描电镜和拉曼光谱成像对其分离过程中木素的溶出途径和机理进行探究。结果表明,在相同条件下,当H_3PO_4的浓度为0.02 mol/L时,其三大组分分离效果最佳,粗纤维素的得率为40.53%,木素和半纤维素的脱除率分别为80.99%和69.90%;在分离过程中,通过观察可以得到木素通过秸秆的表面和截面同时向外渗出,并且以颗粒状沉积在其纤维的表面;细胞角隅和胞间层的木素在乙醇溶剂的作用下,其木素浓度有明显的下降;不同催化剂的添加对乙醇木素官能团结构并没有显著的影响;不同催化条件下粗纤维素的晶型不会发生改变,H_3PO_4催化所得粗纤维素的结晶度最大,为61.50%。其次,在上述基础上,引入H_2O_2组成双组分催化体系。对比双组分催化体系CH_3COOH/H_2O_2、MgCl_2/H_2O_2和H_3PO_4/H_2O_2对麦草组分的分离效果。可以得到,H_3PO_4/H_2O_2催化效果最好,粗纤维素的得率为44.73%,木素和半纤维素的脱除率分别为88.64%和68.99%;与单一H_3PO_4催化相比,木素脱除率提高了9.45%,半纤维素的脱除保持在一个较高的水平。采用响应面法对H_3PO_4/H_2O_2催化条件下麦草木素分离效果进行优化。可以得到,当温度190°C、时间70 min、乙醇浓度60%和固液比1:12时,所得麦草木素的最大脱除率为97.33%。最后,对麦草组分水热-乙醇耦合的定向分离工艺进行了初步的研究,利用水热法优先去除麦草中的半纤维素组分,然后使用CH_3COOH催化的乙醇溶剂分离纤维素和木素组分。通过单独乙醇溶剂和水热-乙醇溶剂耦合两种分离方式在分离效果、木素迁移和在纤维沉积规律、分离产物的形态和结构等方面的对比研究。可以得到,两种处理方式均能使麦草纤维解离;虽然水热-乙醇溶剂耦合分离大大提高了半纤维素的脱除效果,从49.10%增加到92.20%,但是其木素的脱除率有明显的下降,从83.30%减少到37.10%;通过扫描电镜和原子力显微镜的观察发现,单独乙醇溶剂分离所得粗纤维表面的木素以颗粒状富集,而水热-乙醇溶剂分离所得粗纤维表面的木素呈片状包覆在其表面,这是因为水热处理过程使木素向表面迁移并以颗粒状沉积在纤维的表面,后续的乙醇溶剂处理不能有效的脱除这一部分的木素,而是木素熔融后以片状包覆在纤维的表面,从而造成乙醇木素得率偏低,木素在表面的片状包覆也造成了其所得粗纤维表面孔隙的堵塞,从而使其比表面积下降;两种分离方式下粗纤维素的晶型并没有发生变化,均为I型;所得乙醇木素的官能团结构基本一致,没有发生显著变化。综上,通过引入催化剂可以显著提高麦草木素和半纤维素的脱除效果,有利于麦草生物质的解离,有效的提升乙醇溶剂的分离效率,对木质纤维生物质的高值化利用具有积极的意义。
【图文】：

结构图,小麦茎秆,结构图

催化增强麦草组分乙醇溶剂法分离效率的研究表层下，由纤维细胞连接而成的纤维组织带，也称为机械组织，其中嵌有管束。该区域组织紧密，纤维细胞壁厚，细胞腔小，药液流通较为困难。基本薄壁组织组织在茎杆结构中占有极大的比例，基本薄壁组织的功能与植物的营养有原料。维管束秆的横切面上可以清楚地看到散布在基本薄壁组织中的花朵状维管束。维部和韧皮部组组成的束状维管组织系统。

纤维素大分子,链结构

陕西科技大学硕士学位论文，麦草秸秆具有多尺度，多组分的复杂的生物结构。麦草茎秆结构具有天材料，从圆柱状的、直径在 20~400μm 之间的导管胞腔，到细胞角隅、胞状的纹孔，再到不规则裂缝状的、直径在 1~10 nm 之间的细胞壁大分子草结构多尺度孔隙网络结构[20]。因此，，“生物质抗渗流屏障”的概念即生物传质的阻力[21]。它体现了生物质的降解是动态的过程，且生物质具有多孔相应的传质特点。胞壁中主要组分及存在形式
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6;TQ914.3

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