基于生物质精炼的龙须草制浆过程及纳米纤维素制备的研究

发布时间：2020-10-01 05:26

　　 溶解浆是一种高品质的纸浆产品,具有高纤维素含量(90%),低半纤维素含量(4%)和少量的灰分和抽提物,可用于生产纺织品、纤维素醚、高档纸品、玻璃纸和纳米纤维素材料等。纳米纸是由纳米纤维素通过干燥等方式除去溶剂自组装而得,在柔性电子产品、包装阻隔材料、超级电容器电极等诸多领域具有广泛的应用价值。本文采用生物质精炼的理念,以我国西南地区常见的草类植物龙须草为原料生产溶解浆。首先通过稀硫酸辅助的预水解对龙须草进行处理,在160°C、0.2 wt%稀硫酸处理的优化预处理条件下,纤维素收率为70.4%,半纤维素去除率为89.5%。采用IR、XRD、SEM、元素分析等表征手段对稀硫酸处理后龙须草纤维形貌、结构和组成进行了分析。稀硫酸预处理糖液经过西格玛类的漆酶脱毒去除70%的酚类;通过电渗析纯化,去除90%糠醛抑制物;再经过膜浓缩技术得到浓度为21.84g/L的高纯木糖糖液,其中酚类、糠醛等抑制物的含量约0.79 g/L,低于有关文献数据;该糖液经催化加氢转化得到二醇的总转化率高达63.7%,高出相关文献中纯的葡萄糖糖液转化率14%。进一步采用亚硫酸铵(AS)和KOH处理龙须草纤维,优化亚硫酸铵用量、反应时间、添加剂、液固比、AS与KOH处理先后顺序等实验因素,经过使用30wt%的AS在液固比为8的条件下160°C处理2.5 h,再使用6 wt%KOH在液固比为6的条件下140°C处理2 h,木质素的总脱除率可达91.7%。采用IR、XRD、SEM、SEM-EDS、元素分析等表征手段对处理后的纤维固体和黑液分别进行表征,结果表明亚硫酸铵和KOH处理后的黑液中含有大量的C、O、N、S、K等元素,而几乎不含Cr、Hg、Pb等重金属盐离子,充分证明该龙须草木素黑液可以通过后续的氧化氨化生产氮肥和钾肥。通过漂白精制进一步纯化龙须草纤维,经优化纤维素纯化工艺后,所得溶解浆中α-纤维素含量为92.2%,聚合度为544,反应活性为53.8%,符合粘胶生产用溶解浆的质量要求,比普通商品溶解浆表现出更高的反应活性。通过IR、XRD、SEM、元素分析等表征对龙须草溶解浆的形貌、结构进行分析,可知溶解浆的结晶度高达76.7%,为现有文献中龙须草纤维结晶度的最高值。采用上述溶解浆以及未经漂白处理的纤维,通过甲酸水解结合高压均质法制得不同木质素含量的纳米纤维素(CNF),再经抽滤法烘干得到纤维素纳米纸。通过TEM、TG、拉力机测试等手段对CNF、纳米纸的粒径分布、热稳定性、机械强度进行测试,结果证明制备的龙须草纤维素纳米纸具有较高的热稳定性、优越的机械性能(抗拉强度和韧性分别为254.8 MPa和19.5 MJm~(-3),远高于普通纳米纸),因而在膜法水处理技术领域具有潜在的应用价值。本文基于生物质精炼的理念采用廉价、清洁、高效的三步法处理应用于龙须草的制浆过程,不仅制得高反应活性的溶解浆,还得到木质素有机肥料和高附加值的二醇产品,而溶解浆和龙须草纤维还可进一步制备纳米纤维素和性能优异的纳米纸,从而建立了龙须草各组分综合利用的中试级工艺平台,为实现生物质的三素分离与综合利用提供了新途径。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS74;TQ352.79
【部分图文】：

基于生物质精炼的龙须草制浆过程及纳米纤维素制备的研究糖结构沿纤维素骨架存在大量的羟基，因此可以形成羟基有序的氢键网络。天纤维素的一部分为不规则的纤维素无定形区域，无定形区与结晶区域交替连接8]。对于全麦作物而言，另一种值得高度关注的葡聚糖组成的化合物是淀粉，它植物中主要的储备多糖。在淀粉中，脱水葡萄糖单元通过糖苷键连接，容易发断裂，因此水解可以在相对温和的条件下进行。纤维素、纤维素物质的结晶度其消化率的重要的决定的因素，一般来说，相当可观含量的纤维素以结晶态的式存在，结构紧凑，对化学和生物水解具有很强的抵抗力。由于纤维素酶(3-18nm)的粒径极小，因此纤维素酶仅可以从表面消化纤维晶体，导致酶水解率相对较低。无定形纤维素可以非常容易地被酶水解，具有结晶度的再生纤维素比具有较高结晶度的纤维素样品显示出更高的酶水解效率

图 1-2 半纤维素结构Fig. 1-2 The structure of hemicellulose基本结构中富含苯丙烷组成的复合芳族聚合物单元，如图 25-39%和硬木干重的 17-32%。软木木质素主要由愈创木素在硬木类植物中的存在结构形式包括丁香基单元和愈创胞壁组分连接在一起，使木质纤维素生物质具有结构的完疏水性，而且难降解以及含有多酚类化学物质的特性，它中和对植物的化学品利用方面起着特殊的作用。

图 1-2 半纤维素结构Fig. 1-2 The structure of hemicellulose构中富含苯丙烷组成的复合芳族聚合物单元%和硬木干重的 17-32%。软木木质素主要由木类植物中的存在结构形式包括丁香基单元分连接在一起，使木质纤维素生物质具有结，而且难降解以及含有多酚类化学物质的特植物的化学品利用方面起着特殊的作用。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 孙瑾;潘婉莲;刘俊生;李繁亭;;硫酸-尿素处理的粘胶碳纤维增强机理[J];中国纺织大学学报;1988年04期

2 H.Herlinger;张瑞文;;纤维素新溶剂体系[J];广东化纤技术通讯;1988年03期

3 蔡一艾;傅万飞;施露明;陈德峻;;纤维素接枝共聚的探讨[J];广州化工;1988年04期

4 孙韦强;徐祥铭;范力敏;;纤维素生产能源的生物工程进展[J];自然杂志;1988年08期

5 杨克萱,陈曦,梁锋;纤维素/聚丙烯腈混合溶液的结构及粘度性质[J];高分子学报;1989年05期

6 杨明非,潘雪峰;红外光谱法研究木材纤维素的结晶度[J];林业科技;1989年02期

7 许冬生,严路彤;纤维素化工产品的生产及发展前景[J];化工时刊;1989年06期

8 刘宇;陈港;朱家添;陈文锦;胡稳;刘映尧;方志强;;高强透明纤维素材料的制备、结构与性能[J];高等学校化学学报;2018年10期

9 王晨;刘文波;;纤维素溶剂及其溶解性能和特点[J];黑龙江造纸;2018年03期

10 刘传富;孙润仓;任俊莉;叶君;;离子液体在纤维素材料中的应用进展[J];精细化工;2006年04期

相关会议论文 前10条

1 陈张彦;张金明;田卫国;尹春春;杨田田;张军;贾若男;;热塑性纤维素酯的合成及性能[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题P：生物基高分子[C];2017年

2 谢海波;徐芹芹;宋龙初;张丽华;郑强;;有机碱/DMSO/CO_2纤维素溶解体系中纤维素接枝聚己内酯共聚合物的合成与性质研究[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题B：生物大分子[C];2017年

3 刘瑞刚;张超;蒋志伟;刘志景;;纤维素氢键解离和重构[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题D：高分子物理化学[C];2017年

4 陈冠军;姚强;孙婷婷;刘巍峰;;纤维素的非酶降解[A];第六届中国酶工程学术研讨会论文摘要集[C];2007年

5 张金明;陈张彦;肖鹏;张军;;多用途的纤维素基本征型阻燃材料[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题P：生物基高分子[C];2017年

6 李玉龙;王旭;刘向阳;;氟化纳米纤维素的制备[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题P：生物基高分子[C];2017年

7 丁其军;曾劲松;袁哲;;基于微流控技术的植物微纳米纤维素的动态表征[A];2019中国制浆造纸自动化技术与智能制造研讨会论文集[C];2019年

8 隋晓锋;张云崇;;皮克林乳液方法制备纳米纤维素复合材料[A];2017第一届天然材料研究与应用研讨会论文集[C];2017年

9 周庆新;陈冠军;刘巍峰;;木霉纤维膨胀因子swollenin作用机理及应用研究[A];2008年中国微生物学会学术年会论文摘要集[C];2008年

10 杨路明;周景蓬;张凤山;查瑞涛;;纤维素基复合导电材料研究进展[A];中国造纸学会第十七届学术年会论文集[C];2016年

相关重要报纸文章 前2条

1 仲科;欧盟纳米纤维素工艺获突破[N];中国化工报;2013年

2 实习生 刘振兴 谢婷婷 本报记者 雷宇;张俐娜院士：有激情不怕年高[N];中国青年报;2015年

相关博士学位论文 前10条

1 龚杰;纤维素纳米晶体制备过程中的晶体转化技术研究[D];华南理工大学;2017年

2 赵大伟;[Bmim]Cl体系下介孔纤维素聚合物电解质膜及柔性导电储能复合材料制备[D];东北林业大学;2017年

3 胡冬英;两种季铵化纤维素的制备、表征及应用研究[D];东北林业大学;2017年

4 李楠;纤维素基智能凝胶的制备、结构及性能研究[D];华南理工大学;2018年

5 李晓前;基于离子液体的纤维素气凝胶制备及应用研究[D];中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所);2019年

6 杨继明;离子液体体系溶解分离玉米秸秆的研究[D];中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所);2019年

7 刘平;流动场下纤维素纳米晶自组装机制研究及其功能复合材料的构筑[D];青岛科技大学;2017年

8 付飞亚;纤维素氨基甲酸酯的合成及新型纤维素材料的构建[D];武汉大学;2015年

9 付冉冉;纤维素基复合材料的制备与抗菌性能研究[D];天津工业大学;2018年

10 李婉;植物细胞壁中纤维素结构及纤维素的提取和功能材料制备[D];中国科学技术大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 贾锋伟;利用干燥机对纤维素溶液脱水过程的研究[D];青岛科技大学;2019年

2 吴国栋;基于生物质精炼的龙须草制浆过程及纳米纤维素制备的研究[D];青岛科技大学;2019年

3 欧阳土龙;基于有机碱—水溶剂体系的生物质纳米纤维素可控制备与机理解析[D];广西大学;2019年

4 冯晓;碳纳米管-纤维素复合材料的构建及性能表征[D];广西大学;2019年

5 吕苗苗;功能化双醛纤维素的制备与性能研究[D];天津大学;2018年

6 李俊男;山梨酸改性纤维素膜的制备及其抗菌性能研究[D];天津工业大学;2019年

7 陈瑶瑶;纤维素纳米晶的提取、改性及其相关应用[D];武汉理工大学;2018年

8 蔡龙;新型纤维素混合酯合成及材料性质研究[D];贵州大学;2019年

9 李想;纤维素聚质子型离子液体的合成及应用研究[D];贵州大学;2019年

10 马红燕;纤维素/碱尿素水溶液的制备与再生及其流动行为特征研究[D];华南理工大学;2018年

本文编号：2831450