芦苇主成分在高温乙醇水溶液中的降解规律研究

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可再生非粮生物质资源精炼日益成为解决不可再生资源紧缺的有效途径之一。目前,其他非粮生物质资源在各种溶剂体系中的降解规律已报道很多,而芦苇在乙醇/水体系中各组分的降解规律及其动力学研究鲜有报道,其反应机理和产物分布和其他生物质原料或溶剂体系中的反应机理是否一致或有何不同尚不清楚。本研究以芦苇为原料,根据自催化乙醇/水精炼的特点,对芦苇主成分(纤维素、半纤维素和木素)在高温乙醇/水体系中的降解做了以下相关研究,为乙醇法制浆和从废液中提取高附加值产品提供了理论依据。主要研究内容和结果如下:利用高压搅拌反应釜对芦苇在不同温度(175195℃)、不同蒸煮时间(0210min)下纸浆得率的变化进行了研究。通过50%(V/V)乙醇水溶液在80℃下对浆料进行洗涤,采用重量法对纸浆得率进行计算。研究表明:蒸煮升温阶段,纸浆得率逐渐降低,且温度越高降幅越大。而随着保温时间的延长,逐渐趋于稳定。同时利用UPLC对废液中的有机酸、醛类物质进行了定性、定量分析。为后续分析研究主成分的降解历程提供了数据基础。通过对不同蒸煮条件下浆中、废液中木素含量的检测,研究木素在乙醇/水体系中的降解反应并建立降解模型。研究表明:芦苇中木素的降解溶出始于升温阶段,并且高保温温度可以促进木素的高度降解。并基于木素转化率(木素反应掉的部分占木素总量的分数),对木素降解反应做出的反应级数判断为一级反应。且木素降解可分为两个阶段即快速脱木素阶段和残余脱木素阶段,其反应速率常数随着保温温度的升高而有所增加。同时,基于木素转化率得到的线性相关性要强于基于木素剩余率得到的线性相关性,且相关系数均大于0.94,这一现象可推断木素降解为一级反应。利用离子色谱对不同蒸煮条件下浆中、废液中的木糖含量进行检测,通过建立木聚糖到产物糠醛的反应模型研究木糖的降解动力学。研究表明:浆中木糖含量下降较快,保温温度越高,木聚糖越不稳定,而废液中木糖含量先升高后降低,并且温度越高下降拐点越早。在此基础上,对木聚糖的降解反应建立动力学模型,木聚糖和木糖的降解速率随保温温度的升高会增大,其降解的反应活化能分别为289.71KJ·mol-1、206.24KJ·mol-1、156.29KJ·mol-1。在此基础上,对木聚糖的降解反应建立动力学模型,从实验数据拟合得到模型参数,模型计算值和实验值符合良好,表明建立的模型可以很好地对木聚糖的降解过程进行描述。最后,对自催化乙醇/水体系中葡萄糖的降解动力学进行了研究。利用离子色谱检测浆中和废液中葡萄糖的含量,表明纤维素在升温阶段就在不断降解,且温度越高降解越快,并且对葡聚糖的转化进行了研究。由于整个蒸煮过程中,纤维素首先降解为葡聚糖,进一步降解为葡萄糖,而葡萄糖可接着降解为5-HMF,进而降解为乙酰丙酸和甲酸。研究中将纤维素与葡萄糖的联合反应视为一步反应,以纤维素的转化率为基准建立动力学模型,根据线性系数推断葡萄糖降解为一级反应,并依据Arrhenius方程可得纤维素转化为5-羟甲基糠醛反应活化能为101.488 KJ·mol-1
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