基于机械活化作用下的熔盐催化脂肪酸固相酯化植物纤维机制

In our previous works of mechanical activation-strengthened solid phase esterification of polysaccharide polymer (cellulose, cassava stillage residue, starch, etc.) with fatty acid, it was found that the addition of a right amount of molten salt could efficiently enhance their reactivity. Based on this meaningful discovery, this research project put forward several hypotheses of "mechanism of molten salt-catalyzed solid phase esterification of plant fiber with fatty acid based on the action of mechanical activation". With cassava stillage residue as main material, sugarcane bagasse and wood fiber as contrasting materials, fatty acid with as esterifying agent, molten salt as catalyst, and self-made high-efficiency stirring ball mill as mechanical activation equipment and solid phase reactor, this project will focus on the following studies: catalytic effect and mode of action of molten salt species; mode of action of molten salt on fatty acid, plant fiber and its components under the action of mechanical activation; catalytic reactivity of plant fiber and its components; forming processes of esterification products; relationship between structure and properties of the products. These investigations can show the catalytic mechanism of molten salt on plant fiber and its components under the action of mechanical activation, and the basic theory of catalytic mechanism of molten salt can be obtained, which provide environmentally friendly and efficient solid phase catalytic modification technology and theory foundation for the efficient utilization of plant fiber resources, and also have significant promotion for using agricultural wastes as resources. These studies have not only significant academic value but also important economic significance.

本课题组在机械活化强化脂肪酸固相酯化纤维素、木薯酒糟、淀粉等多糖高聚物的前期研究中发现，加入适量的熔盐可有效提高它们的反应性能。针对这一发现，本项目提出了"基于机械活化作用下的熔盐催化脂肪酸固相酯化植物纤维机制"的几种假设。项目以木薯酒糟作为主要研究对象，甘蔗渣、木纤维等作为对比原料，熔盐作为催化剂，脂肪酸为酯化剂，自主研发的高能效搅拌球磨机作为机械活化设备和固相反应器，分别研究熔盐类型的催化效果和作用方式，机械活化作用下熔盐对植物纤维及其组分、脂肪酸的作用方式；植物纤维及其各组分的催化反应性能；酯化物的形成历程；产物结构与性能的关系。通过研究揭示机械活化作用下熔盐对植物纤维及其各化学组分的催化作用机理，得出熔盐催化机制的基础理论，为植物纤维资源的有效利用提供环保高效的固相催化改性技术和理论依据，将对农业废弃物资源化有极大的促进作用。这不仅有极高的学术价值，而且有重大的经济意义。

在机械活化强化脂肪酸固相酯化纤维素、木薯酒糟、淀粉等多糖高聚物的前期研究中发现，加入适量的熔盐可有效提高它们的反应性能，针对这一发现，本项目开展了基于机械活化作用下熔盐催化脂肪酸固相酯化植物纤维机制的研究。分别开展了熔盐类型的选择、催化效果和作用方式，机械活化作用下熔盐对植物纤维及其组分和脂肪酸的作用方式、植物纤维及其各组分的催化反应性能、酯化物的形成历程、产物结构与性能的关系及对机械活化固相反应器的结构进行优化等方面的研究。通过研究，探明了单独机械活化、机械活化加熔盐两种处理手段对植物纤维及其组分纤维素、半纤维素、木质素的作用效果，筛选出酯化效果较佳的熔盐类型及其对不同种类植物纤维的催化效果；根据植物纤维及组分在酯化过程中波谱特征及化学结构变化来探讨不同类型熔盐对酯化物形成过程的影响和活性中间体的生成情况，解析了不同类型熔盐对植物纤维及其组分、脂肪酸的作用方式，各组分酯化能力的差异及酯化物形成的历程。研究结果表明，所筛选的熔盐都与机械活化产生协同作用，熔盐可强化机械力对植物纤维结构的破坏，提高其可及度和反应性能，利于酯化剂与羟基反应，但不同熔盐对酯化剂的作用方式不同，对植物纤维及其组分催化作用机理也不相同，提出了基于机械活化作用下不同类型熔盐催化植物纤维固相酯化的机制；探索了植物纤维及纤维素、木质素酯化产物结构与应用性能的关系，如应用作为重金属和印染有机废水的吸附剂、循环水的缓蚀阻垢剂、处理有机废水的氧化催化剂及木质纤维素酯基类Fenton催化剂、润滑油抗摩擦剂、改善PVC热性能和抗老化性能的添加剂、药物控缓释放微囊（球）的壁材等；进一步优化以熔盐为催化剂的机械活化固相反应器结构，强化固相反应器的传热性能和对反应温度进行监控与调节。研究结果将为植物纤维资源的有效利用提供环保高效的固相催化改性技术和理论依据，将对农业废弃物资源化有极大的促进作用。