六月和十二月竹龄毛竹竹竿半纤维素的分离及热稳定性研究

论文摘要

随着石油、煤炭等化石燃料的总量日益减少,由生物质可再生资源转化为新能源、新材料、医药精细化工品正成为国内外研究的重点课题。木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素构成,其中半纤维素约占生物质总量的20-35%。在食品、造纸、化学、制药等行业半纤维素作为一种取之不尽、用之不竭的天然可再生资源被广泛的应用。分离获取半纤维素是更加深入地研究半纤维素的化学组成、结构以及探索提高半纤维素资源附加值的前提条件,所以对半纤维素组分进行分离纯化及化学表征的研究具有非常重要的科学价值和理论意义。本文以高效利用富含半纤维素资源的毛竹竹竿中半纤维素为出发点,对影响超声辅助碱抽提毛竹半纤维素的主要工艺参数进行了单因素实验,分析了KOH溶液浓度,抽提温度及超声时间这三个因素对毛竹半纤维素总得率及半纤维素A、B组分得率的影响规律。根据Box-Behnken中心组合实验设计原理并通过响应面法分析对抽提工艺进行了进一步的优化,所得最佳的抽提工艺参数为3.1% KOH溶液,以固液比1：20 （w/v）在54.4℃条件下抽提120 min,其中超声时间为56 min,半纤维素理论总得率为19.22%。抽提温度和碱液浓度的二次项是显著因素,但是同时发现本实验中超声波作用时间对得率影响不显著。以6个月、12个月竹龄毛竹竹竿为原料,采用分级抽提方法及单独中性有机溶剂抽提方法获取水溶性、碱溶性半纤维素A、B组分及DMSO可溶性半纤维素组分。对各组分进行了较全面的得率比较分析,并采用FT-IR,离子交换色谱,GPC等手段对组分进行了较全面的表征分析。结果表明水溶性、DMSO可溶性半纤维素仍完好保留了乙酰基,碱溶性半纤维素得率高但是乙酰基已被完全水解；水溶性和DMSO可溶性半纤维素结合木质素含量低,碱溶性半纤维素A、B组分结合的木质素含量都高；毛竹竹竿半纤维素戊糖单元之间是以β糖苷键相连并含有部分糖醛酸组分；DEAE-Cellulose 52洗脱曲线所得为单一峰形,能高效分离中性、酸性组分；分子量结果显示半纤维素水溶性组分分子量略大于碱溶性组分,分级流程工艺条件抽提所得半纤维素组分的结构一定程度上已降解。本文采用热重分析法（TGA）探索了不同竹龄竹竿半纤维素各种半纤维素组分的热分解规律。结果表明竹竿半纤维素热失重温度范围较广,热稳定性较差,主要失重区间180-400℃。TG-DTG曲线特征分析最大失重峰主要出现在250-300℃,水溶性半纤维素和含木质素残基较多的碱溶性半纤维素在400-500℃还有肩峰出现。热分解终点时碱溶性半纤维素平均残渣率最高,其次是水溶性半纤维素,DMSO可溶性半纤维素平均残渣率较低。本文还对半纤维素组分在最大失重率峰值所属区间采用Coat-Redfern方程进行动力学分析,求出并比较各组分的活化能E和指前因子A。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 竹类资源应用研究进展
• 1.2.1 竹子简介
• 1.2.2 竹子综合利用
• 1.3 半纤维素的化学组成及基本结构
• 1.3.1 半纤维素基本化学结构
• 1.3.2 半纤维素与其它组分之间的相互作用
• 1.3.3 半纤维素的应用
• 1.4 半纤维素分离方法
• 1.4.1 高温蒸汽预处理提取法
• 1.4.2 碱抽提
• 1.4.3 中性有机溶剂抽提
• 1.4.4 碱性过氧化物抽提
• 1.4.5 超声辅助抽提
• 1.4.6 分级抽提
• 1.4.7 其它抽提方法
• 1.5 半纤维素纯化方法
• 1.5.1 溶剂沉淀法
• 1.5.2 柱层析法
• 1.5.3 膜分离法
• 1.5.4 其它方法
• 1.6 半纤维素热解研究进展
• 1.6.1 半纤维素热解特性及机理
• 1.6.2 热解动力学研究
• 1.7 课题背景、意义及主要研究内容
• 1.7.1 研究背景、意义
• 1.7.2 主要研究内容
• 第2章 超声辅助碱抽提实验工艺参数的研究
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 仪器
• 2.1.3 实验材料成分分析
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 超声辅助碱抽提工艺过程及产物的收集
• 2.2.2 超声辅助碱抽提单因素实验
• 2.2.3 响应面设计
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 毛竹化学成分分析
• 2.3.2 KOH溶液浓度对半纤维素得率的影响
• 2.3.3 温度对半纤维素得率的影响
• 2.3.4 超声时间对半纤维素得率的影响
• 2.3.5 实验设计及得率结果
• 2.3.6 数学模型的建立与检验
• 2.3.7 响应面分析
• 2.3.8 验证实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 6月和12月竹龄竹竿半纤维素的碱分级分离研究
• 3.1 材料和仪器
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 主要仪器设备
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 分级分离工艺流程
• 3.2.2 半纤维素得率计算及表观分析
• 3.2.3 半纤维素分级组分的红外特征分析
• 3.2.4 半纤维素组分DEAE-cellulose 52柱层析
• 3.2.5 半纤维素组分分子量测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 半纤维素得率及表观分析
• 3.3.2 半纤维素分级组分的红外特征分析
• 3.3.3 半纤维素DEAE-Cellulose 52柱层析结果分析
• 3.3.4 半纤维素分子量结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 毛竹半纤维素中性有机溶剂抽提研究
• 4.1 材料和仪器
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 主要仪器设备
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 中性有机溶剂抽提工艺流程
• 4.2.2 半纤维素DMSO可溶性组分得率及表观分析
• 4.2.3 半纤维素DMSO可溶性组分的红外特征分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 DMSO可溶性半纤维素得率及表观分析
• 4.3.2 半纤维素DMSO组分的红外特征分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 毛竹半纤维素热稳定性研究
• 5.1 材料和仪器
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 主要仪器设备
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 半纤维素组分热解实验研究
• 5.2.2 半纤维素组分热解动力学研究
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 半纤维素组分热重实验曲线及特性分析
• 5.3.2 半纤维素组分热解动力学模型的建立
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步工作的方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果