稻草组分的分离及高附加值产品的工艺研究

【摘要】化石资源是人类赖以生存的物质基础。随着世界各国城市化和工业化进程的加快，人们对化石资源的需求量越来越大。所以寻找新资源代替化石资源成为了世界各国政府、企业、科研工作者的首要任务。在可开发的资源中，生物质资源是唯一的碳源，深加工后可以取代用煤和石油等生产的化工产品，是人类实现可持续发展和应对化石资源短缺现状的希望，在可再生资源开发过程中有着重要的作用。稻草秸秆是我国农作物生产系统中的一项重要生物质能源，其年产量约为6.7亿万吨。目前，大部分稻草被当作农作物废弃物，对环境造成了严重的污染。然而，稻草中含有丰富的半纤维素、木质素和纤维素，这些组分可用于制备多种高附加值产品。因此，对稻草中各种组分进行分离和利用，既保护了环境，又开发了可利用资源。本论文采用一套科学可行的方法分离稻草中的三种组分，分别利用制备糠醛、木质素羧酸盐、羧甲基纤维素钠，并实现稻草资源的综合利用。1.以稻草为原料，研究稀硫酸水解次数对半纤维素水解率和木糖溶液浓度的影响。再以硫酸和氯化钠为催化剂，研究固定床催化脱水制备糠醛的最佳工艺条件。研究结果如下：（1）对稻草中半纤维素进行六次水解，半纤维素水解率超过95wt%，并且最终水解液中木糖浓度超过13wt%，说明通过反复水解来增加木糖溶液浓度的方法能够满足工业生产糠醛的需求。（2）木糖脱水制备糠醛的最佳反应条件是：酸催化剂浓度为23wt%，氯化钠质量为80g，外加热温度为150℃，得到糠醛产率为65.31wt%，比目前工业生产的糠醛收率增加一倍多。2.从半纤维素水解废渣Ⅰ中提取碱木质素溶液，再用O2/H2O2溶液复合体系对碱木质素进行氧化解聚处理，制备出木质素羧酸盐。研究结果如下：（1）消除木质素显色基团，碱木质素溶液由棕褐色变为无色。（2）通过氧化解聚作用，木质素中甲氧基被氧化为羧酸根。（3）产物的平均粒度由起始时的309.5nm降低到173.5nm。3.以提取木质素过程中的废渣Ⅱ为原料，将其进行脱色、碱化、醚化处理以制备羧甲基纤维素钠。研究结果如下：（1）经脱色处理，废渣Ⅱ的颜色变为白色，满足了进一步制备稻草基羧甲基纤维素的要求。（2）制备羧甲基纤维素钠的最佳工艺条件是：氢氧化钠水浓度为25.6wt%，碱化温度为28℃，碱化时间为85min，氯乙酸-乙醇溶液的浓度为63.3wt%，醚化温度为65℃，醚化时间为140min，羧甲基纤维素取代度和白度最高可达到1.756是78.4。本论文的创新优势在于：1.采用稀酸催化水解、固定床催化脱水制备糠醛的工艺方法使得糠醛的收率在传统工艺的一倍以上。2.将从稻草中提取的木质素经氧化解聚处理，得到木质素羧酸盐。这种物质有望成为合成聚酯的重要原料。3.由稻草纤维素制备出的高取代度和高白度的羧甲基纤维素钠可代替由精制棉生产处的产品。以此方法生产羧甲基纤维素不仅可以降低原料成本，还可以提高稻草的市场竞争力。本论文充分利用了稻草资源，初步建立了一套简单可行的方法分离了稻草中的半纤维素、木质素、纤维素，并分别制备出具有高附加值的糠醛、木质素羧酸盐和羧甲基纤维素钠产品，为生物质资源化综合利用方面的有关研究和产业化生产提供了重要的参考价值和设计依据。
【作者】张阅欣；
【导师】王子忱；
【作者基本信息】吉林大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】糠醛；木质素羧酸盐；羧甲基纤维素钠；

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