氧气/乙醇-水体系中苯酚对木质素高效溶出的诱导机制研究

At present, there are still chemical recovery problems in alkaline pulping of agricultural residue, while potential safety hazard in ethanol pulping due to high temperature and pressure. Because of the high catalysis effectiveness and strong reactivity, oxygen/ethanol-water system can lower process temperature and pressure to some extent. However, the delignification efficiency can still be enhanced..Based on the high inducing ability of phenol on activating dissolved oxygen to activated oxygen radicals, this project proposed a phenol-based oxygen/ethanol-water system aiming at extracting mainly lignin supplemented by cellulose and hemi-cellulose, which will be an economical and safe process mode with high potential to realize industrialization. This project will study on the changes of molecular level, micro-environment, fiber morphology and chemical structure. Moreover, the collaborative effect among phenol, dissolved oxygen and ethanol-water will be studied based on the modeling of mass transfer and chemical reaction. The main factors on target-accessibility of phenol will also be clarified, which will provide a better understanding of theoretical fundamentals aiming at developing new separation technology for agricultural residual under low temperature with organic solvent.

农业废弃物的碱法制浆仍然存在着较难克服的碱回收问题，而乙醇法制浆又存在着高温高压带来的安全隐患。虽然氧气对乙醇-水体系中木素的分离具有高催化性和反应性，可降低反应温度和压力，但其脱木素效率低的问题仍未根本解决。鉴于苯酚对溶解氧生成活性氧群的诱导效应，本项目提出了一种基于苯酚诱导的氧气/乙醇-水体系以“粗炼”生物质组分的方法，即：以高效、经济、安全的方式分离出部分高纯、高活性的木质素为主，对纤维素、半纤维素利用为辅的模式。主要研究内容有：考察乙醇-水体系中纤维组分与过程溶液在分子水平、微观形态等层次的变化；分析苯酚、溶解氧与多相木素间的协同交互影响；确定主控诱导效率的因素，从而阐明苯酚在乙醇-水体系对溶解氧的诱导机制。本项目将为实现有机溶剂低温高效分离生物质组分提供重要的理论依据和指导。

本研究以农业废弃物麦草秸秆为原料，利用乙醇法制浆的方式在适温中压的条件下对其进行适度的处理，即生物质粗炼：采用经济合理性的模式、以分离出部分高纯、高活性的木质素为主，对纤维素、半纤维素利用为辅的方式，为农业废弃物的工业利用提供一种可行的途径。研究了乙醇粗炼木素过程工艺条件（苯酚、氧气、温度、乙醇浓度、液比）对木素得率、结构及纤维微观形貌的影响规律，分析了脱木素过程的动力学，并首次定量验证了溶解氧与溶解木素的优先反应，基于此提出废液置换法以提高脱木素效率。基于乙醇木素的无硫、与原始木素结构相近等优势，进行了木素纳米颗粒的制备方法以及药物运载的初探。研究结果表明：通过模拟过程和280nm处归一化紫外光谱，首次证明了过量溶解木质素所消耗的无效耗氧量。结合新型生物炼制模式在脱木素效率、粘度、羰基等方面的优越性，得出了在氧脱木素过程初始阶段置换液可以平衡脱木素效率的提高和无效耗氧量的结论；在苯酚诱导氧强化乙醇脱木素过程中，采用温和的工艺条件，以减少能量输入，同时尽可能保持木质素结构的原始性；通过归一化红外光谱数据研究了结构变化的定量差异，证明了温度的提升可促进脱木素效率；动力学研究表明，乙醇脱木素过程分为快速和慢速两个阶段。本研究成果为创建苯酚诱导氧气催化乙醇体系分离生物质组分的新工艺以及农业废弃物的高值化利用提供了重要的理论依据和指导。