超临界溶剂体系分离生物质基木质素机理研究

Lignin is one of the most important fractions of biomass, and its degradation and utilization affects the development of biomass resource exploration and relieves the crisis of fossil fuel shortage. The project aims to use supercritical solvents system to extract lignin from biomass materials. Through the research of different solvent systems, different biomass materials and process parameters adjustment, high quality lignin and its degradation products could be obtained. Chemical and instrumental analyses are conducted to analyze the obtained lignin and other products. By the means of experiments study and thermodynamics study, the degradation mechanism of lignin in different supercritical solvent systems can be revealed. Lignin-Phenol-Methanol based Phenolic resin is set as value-added products, and the obtained lignin are used to replace partial phenol during the producing process. The results of this project will provide theoretical and experimental data for the design of lignin separation process in supercritical system, and promote the progress of full usage development of lignocellulose biomass.

木质素是生物质原料最重要的组分之一，其解聚和有效利用对生物质可再生资源的开发以及缓解石油资源危机具有重要意义。本课题拟利用超临界溶剂体系（水、醇等溶剂及其混合物）提取生物质原料中的木质素，通过对不同溶剂体系、不同原料以及不同工艺条件的实验研究，获取高纯度的木质素及其降解产物。建立完善的超临界溶剂体系提纯所得生物质基木质素产物的成分分析及官能团定性定量分析系统。在产物分析研究的基础上，通过实验和热力学模型研究，揭示木质素在不同超临界溶剂体系中的降解反应机理，建立反应动力学模型。以木质素-苯酚-甲醛共聚树脂为木质素高值化目标产品，进行生物质基木质素应用研究。本项目系统研究超临界溶剂体系提取生物质木质素的化学反应机理和工艺过程，也对木质素应用产品的制备和性能进行系统考察，这将为木质素的高值化利用和生物质资源的高效利用奠定基础。

木质素作为木质生物质三大组分之一，是自然界中芳香环含量最多的天然高分子聚合物，作为可再生资源在缓解石油资源危机中起到重要的作用。本项目首先以阜康棉花秸秆为原料进行预处理、提纯木质素，分别采用乙醇溶液和超临界CO2与乙醇混合溶液两种方法对阜康棉花秸秆、酸析木质素两种物质进行结构分析，利用FT-IR、NMR等测试手段对木质素进行表征，确定木质素的组成；并对两种物质进行分子量测定、抗氧化性测试、热稳定性分析等研究。.由于天然产物中的木质素三维高度交联的大分子，无确定分子结构，所以根据棉花秸秆中木质素的分子的官能团结构特征，选择酸析木质素作为模型，进行木质素-苯酚-甲醛共聚树脂的制备研究。结合制备的FT-IR分析、1H NMR和13C NMR分析，确定每个实验阶段进行的主要特征反应。通过单因素实验考察碱浓度、醛酚比、木质素添加量等过程参数对木质素基酚醛树脂胶粘剂的黏度、固含量、游离甲醛含量、游离苯酚含量和胶合强度的影响规律，并采用FT-IR、13C NMR和TG对木质素基酚醛树脂胶粘剂官能团结构和热固化特性进行表征。木质素替代率为30%时所合成的树脂具有良好的分子结构和固化性能。并以尿素和纳米氧化镁（MgO）为改性剂，利用木质素部分替代苯酚，三步共聚制备了木质素基酚醛树脂胶粘剂，得到较为理想的效果，为木质素的高值化利用和生物质资源的高效利用提供了研究方向。