纤维素及半纤维素水解技术的探索

论文摘要

生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，其中，纤维素和半纤维为糖的聚合物，能够水解产生糖类，从而进一步生产各种有用的化学品。因此，纤维素和半纤维素的水解对生物质的充分利用来说是非常重要的。本论文分别以结晶纤维素和玉米芯为例研究了纤维素和半纤维素的水解技术。由于玉米芯中富含大量半纤维素，因此玉米芯的水解代表了半纤维素的水解。在研究纤维素的水解时，本论文采用了碳基固体酸和磷钨酸两种固体酸作催化剂。碳基固体酸的制备经历了碳化和磺化两个反应阶段。在碳化阶段，将适量的结晶纤维素置于管式炉中，并使其在有N2气流的条件下在450℃反应5h制得活性炭；在磺化阶段，准确称取1.5g碳化得到的活性碳，浸入30ml发烟硫酸中，置于150℃烘箱，反应过夜。然后用温度在80℃以上的去离子水将带有磺酸基的活性炭颗粒洗至洗液中检测不到SO42-，然后将洗好的黑色粉末置于105℃烘箱中烘干至恒重，待用。结果表明，在微波加热的条件下，当反应温度为140℃，反应时间为2h时，葡萄糖得率最高，达到了33%。当采用磷钨酸作催化剂时，结果表明，在微波加热条件下，当磷钨酸溶液的浓度为88%，反应温度为90℃，反应时间为3h，葡萄得率高达84%，纤维素转化率高达96%。反应结束后，利用乙醚萃取法将磷钨酸回收进行重复利用，回收率为85%。回收后经第二次利用时，在同样的反应条件下，葡萄糖得率为66%，当进行第三次重复利用时，葡萄糖得率仅为48%。结果表明，磷钨酸是一种进行纤维素水解的高效催化剂，而且可以重复利用。在研究玉米芯的水解时，本论文采用了甲酸作催化剂。其原因在于甲酸作为一种有机溶剂，沸点低，容易回收，可以循环使用降低生产成本。结果表明，当甲酸浓度为60%，反应温度为100℃，反应时间为120min时，在微波加热的条件下木糖得率最高达到96%，但是，在同样的条件下，当采用传统油浴加热时，木糖得率仅有75%。说明微波加热可以缩短反应时间，提高反应效率。另外，研究发现在相同的甲酸浓度（60%）、反应温度（100℃）下，反应时间为150min时，在微波加热的条件下，木质素的脱除率达到最高，为72%，但是在相同条件下采用传统油浴加热时，木质素的脱除率仅为32%。因此，甲酸有利于木质素的脱除，当甲酸和微波相结合时，脱除效果更好。本文主要研究了纤维素和半纤维素水解的各种技术，对于生物质的充分利用，乃至解决能源危机、环境污染，保持社会的可持续发展具有非常深远的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 综述
• 1.1 引言
• 1.2 生物质简介
• 1.2.1 林业资源
• 1.2.2 农业资源
• 1.2.3 生活污水和工业有机废水
• 1.2.4 城市固体废物
• 1.2.5 畜禽粪便
• 1.3 生物质的化学组成
• 1.3.1 纤维素
• 1.3.2 半纤维素
• 1.3.3 木质素
• 1.4 生物质的水解技术
• 1.4.1 无机酸水解
• 1.4.1.1 纤维素和半纤维素的酸水解机理
• 1.4.1.2 浓酸水解
• 1.4.1.3 稀酸水解
• 1.4.2 有机酸水解
• 1.4.3 酶水解
• 1.4.4 离子液体水解
• 1.4.5 超临界水水解
• 1.4.6 碳基固体酸水解
• 1.5 微波加热技术简介
• 1.6 磷钨酸简介
• 1.7 课题研究背景及选题意义
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验试剂及实验设备
• 2.1.1 实验试剂及药品
• 2.1.2 实验仪器与设备
• 2.2 原料
• 2.2.1 结晶纤维素
• 2.2.2 玉米芯
• 2.3 玉米芯化学成分分析
• 2.3.1 玉米芯的抽提
• 2.3.2 玉米芯的化学成分分析
• 2.3.2.1 分析和水解样品的准备
• 2.3.2.2 酸不溶木质素的测定
• 2.3.2.3 酸可溶木质素的测定
• 2.3.2.4 结构性碳水化合物的测定
• 2.4 碳基固体酸的制备
• 2.5 糖含量的定量方法及测试条件
• 2.5.1 水解液中单糖的定性
• 2.5.2 色谱条件
• 2.5.3 水解液中单糖的定量
• 2.6 水解效果评价方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 纤维素的水解研究
• 3.1 前言
• 3.2 碳基固体酸水解纤维素
• 3.2.1 实验步骤
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.2.1 纤维素碳基固体酸的表征
• 3.2.2.2 微波加热条件下反应温度对葡萄糖得率的影响
• 3.2.2.3 微波加热条件下反应时间对葡萄糖得率的影响
• 3.2.2.4 在相同的反应温度下加热方式对葡萄糖得率的影响
• 3.3 磷钨酸对纤维素的水解
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.1.1 实验方案
• 3.3.1.2 数据处理
• 3.3.2 球磨前后纤维素结晶度的变化
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.3.3.1 磷钨酸浓度对葡萄糖得率、纤维素转化率及反应选择性的影响
• 3.3.3.2 反应温度对葡萄糖得率、纤维素转化率及反应选择性的影响
• 3.3.3.3 反应时间对葡萄糖得率、纤维素转化率及反应选择性的影响
• 3.3.3.4 纤维素质量对葡萄糖得率的影响
• 3.3.3.5 微波加热和传统加热条件下葡萄糖得率、纤维素转化率及反应选择性的对比
• 3.3.3.6 磷钨酸的重复利用
• 3.4 本章小结
• 第4章 甲酸水解玉米芯的实验研究
• 4.1 前言
• 4.2 玉米芯的化学成分分析结果
• 4.3 实验方法
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 反应温度对葡萄糖得率及木糖得率的影响
• 4.4.2 甲酸浓度对葡萄糖得率及木糖得率的影响
• 4.4.3 反应时间对葡萄糖得率及木糖得率的影响
• 4.4.4 100℃下甲酸的脱木质素作用
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文