黃明星 周彩榮
摘要:從工藝角度對沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝進(jìn)行了研究,通過單因素試驗和正交試驗考察了各因素對處理過程的影響,得到最佳工藝條件,即蒸煮溫度為206 ℃、保溫時間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此條件下得到的粗纖維產(chǎn)品純度為67.21%。
關(guān)鍵詞:沙柳;酸催化乙醇法;纖維素;正交試驗
中圖分類號: TQ352.62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號:1002-1302(2014)03-0224-03
纖維素作為一種巨大的綠色資源,由于其可再生、可生物降解、可衍生化等優(yōu)點越來受到人們的關(guān)注。目前,纖維素在化工、食品、醫(yī)藥、涂料等領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。沙柳又名筐柳、降馬,屬楊柳科落葉叢生直立灌木或小喬木,為沙漠地區(qū)廣為種植的沙生植物之一。沙柳是固沙造林的優(yōu)良樹種,不僅起防風(fēng)固沙、保持水土的作用,在改善生態(tài)系統(tǒng)、維持生態(tài)平衡等方面也具有獨特的功能[3-5]。沙柳通常3年成材,成材后需平茬才能保持旺盛的生長力[6]。目前,平茬后的沙柳除少部分用于纖維板或編織生產(chǎn)外,大部分作為薪材燃燒或者丟棄,造成資源浪費[7]。沙柳細(xì)胞壁中含有大量的纖維素,是天然可再生生物質(zhì)資源,合理利用沙柳資源將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。
乙醇法制漿是有機溶劑制漿的一種,是利用半纖維素上的乙?;邷厮猱a(chǎn)生的乙酸自催化,使木質(zhì)素分解,并將其溶出,同時部分半纖維素也溶出,從而達(dá)到分離纖維素的目的[8-10]。生產(chǎn)過程產(chǎn)生的制漿廢液可以通過蒸餾來回收有機溶劑,通過提純得到高純度的木質(zhì)素。乙醇法制漿技術(shù)的優(yōu)越性不僅可以有效提取木質(zhì)纖維原料中制得高品質(zhì)的纖維素,還可有效回收有機溶劑和副產(chǎn)品,避免了浪費資源和環(huán)境污染。本研究采用乙醇制漿法提取纖維素,使用乙醇-乙酸-水作溶劑來預(yù)處理沙柳,考察了各因素對酸催化乙醇法預(yù)處理工藝的影響,并優(yōu)化了預(yù)處理工藝。
1 材料與方法
1.1 原料和儀器
沙柳:內(nèi)蒙古鄂爾多斯;乙醇:AR,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);冰醋酸:AR,廣東光華科技股份有限公司生產(chǎn);硝酸:AR,洛陽市化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。電子分析天平:FA1004,上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);高壓反應(yīng)釜:GS-0.5,山東威海宏協(xié)化工機械有限公司生產(chǎn);粉碎機:DFY-200A,上海比朗儀器有限公司生產(chǎn);循環(huán)水泵:SHB-Ⅲ,河南鞏義市英峪華科儀器廠生產(chǎn);干燥箱:HG101-3,江蘇南京電器三廠生產(chǎn)。
1.2 測定項目與方法
主要分析表征沙柳原料化學(xué)組成特征的木質(zhì)素、綜合纖維素、纖維素、灰分等。了解原料的化學(xué)組成特征,據(jù)此選擇合適的處理工藝條件。沙柳組成的分析方法詳見文獻(xiàn)[11]。
1.3 試驗方法
將沙柳材粉碎,過40目篩,(105±3) ℃烘干,冷卻,放入干燥器中備用。在高壓反應(yīng)釜中加入20g沙柳木粉,按配比加入一定比例的乙醇-乙酸-水蒸煮液,加熱到一定溫度后,保溫一定時間,冷卻,過濾,先用70%乙醇洗滌,再用2次蒸餾水洗干凈,最后(105±3) ℃烘干,得纖維素粗品。
2 結(jié)果與分析
2.1 沙柳原料化學(xué)成分
沙柳原料含水分8.89%、灰分4.53%、苯醇抽提物251%、硝酸乙醇纖維素33.83%、綜合纖維素71.92%、木質(zhì)素22.72%。
沙柳原料中灰分含量遠(yuǎn)高于一般木材,灰分主要成分是二氧化硅[12],這是傳統(tǒng)堿法制漿黑液難以回收的重要原因之一。溶劑法制漿可以消除灰分積累。沙柳原料中含有較高的纖維素,是天然可再生生物物質(zhì),可以作為制備纖維素的原料。
2.2 單因素試驗
以粗纖維產(chǎn)品中纖維素的含量為指標(biāo),考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時間、乙酸添加量、液固比對產(chǎn)品純度的影響,以優(yōu)化預(yù)處理工藝條件。
2.2.1 蒸煮溫度的影響 考察蒸煮溫度影響因素,分別設(shè)置蒸煮溫度為140、160、180、190、200 ℃,其余條件控制為乙醇濃度60%,保溫時間60 min,乙酸添加量1%,液固比 10 mL ∶ 1 g。試驗結(jié)果如圖1所示。
乙醇制漿法溶劑擴散非???,木質(zhì)素溶劑化主要取決于蒸煮溫度。從圖1可以看出,隨著蒸煮溫度的提高,纖維素的含量逐漸升高,在140~190 ℃范圍內(nèi),纖維素含量變化最大,190 ℃以后纖維素含量變化不大,因此,選擇蒸煮溫度為
190 ℃ 較為適宜。
2.2.2 保溫時間的影響 考察保溫時間對纖維素含量的影響,分別設(shè)置保溫時間為15、30、45、60、75、90 min,其余條件為蒸煮溫度190 ℃,乙醇濃度60%,乙酸添加量為1%,液固比為10 mL ∶ 1 g。試驗結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出,隨著保溫時間的延長,纖維素的含量逐漸升高,但反應(yīng)時間達(dá)到45 min后,纖維素的含量基本不變,因此保溫時間可以選為45 min。
2.2.3 乙醇濃度的影響 考察乙醇濃度對纖維素含量的影響,分別設(shè)置乙醇濃度為20%、40%、50%、60%、80%,其余條件為蒸煮溫度190 ℃,保溫時間45 min,乙酸添加量為1%,液固比為10 mL ∶ 1 g。試驗結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知,隨著乙醇濃度的增加,纖維素純度增加,但乙醇濃度超過50%,纖維素純度有所下降。因為隨著乙醇濃度的逐漸提高,脫木質(zhì)素率進(jìn)一步增加,導(dǎo)致了碳水化合物的部分降解。因此選擇乙醇濃度為50%較為適宜。
2.2.4 乙酸添加量的影響 考察乙酸添加量對纖維素含量的影響,分別設(shè)置乙酸添加量為0、0.5%、1.0%、1.5%、20%,其余條件為蒸煮溫度190 ℃,保溫時間45 min,乙醇濃度為50%,液固比為10 mL ∶ 1 g。試驗結(jié)果如圖4所示。
從圖4可知,粗纖維素產(chǎn)品中纖維素含量隨著乙酸添加量的增加而增加,在乙酸添加量小于1%時,纖維素含量增加明顯,但乙酸添加量大于1%時,纖維素的含量下降。因為酸催化乙醇法制漿時,酸的使用有助于沙柳原料中纖維素、木質(zhì)素的分離,可以加快木質(zhì)素變成碎片并溶出,也會加速副反應(yīng)的發(fā)生,例如木質(zhì)素的聚合和纖維素的分解。因此酸催化乙醇法預(yù)處理沙柳原料的酸濃度選擇為1%較為適宜。
2.2.5 液固比的影響 考察液固比對纖維素含量的影響,分別設(shè)置液固比(mL ∶ g)為6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1、14 ∶ 1、16 ∶ 1,其余條件為蒸煮溫度 190 ℃,保溫時間45 min,乙醇濃度為50%,乙酸添加量為1%。蒸煮結(jié)果如圖5所示。
由圖5看出,纖維素含量隨著液固比的增加而增加,但液固比超過10 mL ∶ 1 g時纖維的含量開始緩慢下降。Gilarranz等認(rèn)為乙醇制漿法增加液比具有雙重作用,乙醇的脫木質(zhì)素能力具有氫離子濃度依賴性,液比增加體系酸度下降,木質(zhì)素脫除能力下降;乙醇具有溶解木質(zhì)素的能力,液比增加有利于木質(zhì)素的溶解,抑制木質(zhì)素的吸附[13]。因此,酸催化預(yù)處理沙柳原料的液固比選用10 mL ∶ 1 g較為適宜。
2.3 正交試驗
為了考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時間、乙酸添加量和液固比等影響因素之間的相互影響,優(yōu)化酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝條件,根據(jù)單因素試驗結(jié)果,對蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時間、乙酸添加量、液固比采用5因素4水平進(jìn)行L16(45)正交試驗。正交試驗設(shè)計方案見表1,正交試驗結(jié)果見表2。
從表2可以看出,溫度因素極差最大,為6.312,表明蒸煮溫度的改變對試驗指標(biāo)影響最大,溫度是要考慮的主要因素。最佳處理方案為A4B3C1D3E3,試驗按照A4B3C1D3E3的最佳因素處理沙柳原料,并在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行試驗得到粗纖維素的純度為67.21%(表3),結(jié)果高于單因素試驗和正交試驗中達(dá)到的最佳效果。因此,酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝最佳工藝條件為:蒸煮溫度為206 ℃、保溫時間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。
3 結(jié)論
從單因素試驗和正交試驗結(jié)果分析可以得出,沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝的最佳條件為蒸煮溫度為206 ℃、保溫時間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此處理條件下,獲得的纖維素粗品中纖維素的含量為67.21%。
參考文獻(xiàn):
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[12]馮利群,高曉霞,王喜明. 沙柳木材的纖維構(gòu)造及其化學(xué)成分分析[J]. 內(nèi)蒙古林學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,1996,18(1):38-42.
[13]Gilarranz M A,Oliet M,Rodriguez F,et al. Ethanol-water pulping:cooking variables optimization[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering,1998,76(4):253-260.
從圖4可知,粗纖維素產(chǎn)品中纖維素含量隨著乙酸添加量的增加而增加,在乙酸添加量小于1%時,纖維素含量增加明顯,但乙酸添加量大于1%時,纖維素的含量下降。因為酸催化乙醇法制漿時,酸的使用有助于沙柳原料中纖維素、木質(zhì)素的分離,可以加快木質(zhì)素變成碎片并溶出,也會加速副反應(yīng)的發(fā)生,例如木質(zhì)素的聚合和纖維素的分解。因此酸催化乙醇法預(yù)處理沙柳原料的酸濃度選擇為1%較為適宜。
2.2.5 液固比的影響 考察液固比對纖維素含量的影響,分別設(shè)置液固比(mL ∶ g)為6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1、14 ∶ 1、16 ∶ 1,其余條件為蒸煮溫度 190 ℃,保溫時間45 min,乙醇濃度為50%,乙酸添加量為1%。蒸煮結(jié)果如圖5所示。
由圖5看出,纖維素含量隨著液固比的增加而增加,但液固比超過10 mL ∶ 1 g時纖維的含量開始緩慢下降。Gilarranz等認(rèn)為乙醇制漿法增加液比具有雙重作用,乙醇的脫木質(zhì)素能力具有氫離子濃度依賴性,液比增加體系酸度下降,木質(zhì)素脫除能力下降;乙醇具有溶解木質(zhì)素的能力,液比增加有利于木質(zhì)素的溶解,抑制木質(zhì)素的吸附[13]。因此,酸催化預(yù)處理沙柳原料的液固比選用10 mL ∶ 1 g較為適宜。
2.3 正交試驗
為了考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時間、乙酸添加量和液固比等影響因素之間的相互影響,優(yōu)化酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝條件,根據(jù)單因素試驗結(jié)果,對蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時間、乙酸添加量、液固比采用5因素4水平進(jìn)行L16(45)正交試驗。正交試驗設(shè)計方案見表1,正交試驗結(jié)果見表2。
從表2可以看出,溫度因素極差最大,為6.312,表明蒸煮溫度的改變對試驗指標(biāo)影響最大,溫度是要考慮的主要因素。最佳處理方案為A4B3C1D3E3,試驗按照A4B3C1D3E3的最佳因素處理沙柳原料,并在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行試驗得到粗纖維素的純度為67.21%(表3),結(jié)果高于單因素試驗和正交試驗中達(dá)到的最佳效果。因此,酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝最佳工藝條件為:蒸煮溫度為206 ℃、保溫時間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。
3 結(jié)論
從單因素試驗和正交試驗結(jié)果分析可以得出,沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝的最佳條件為蒸煮溫度為206 ℃、保溫時間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此處理條件下,獲得的纖維素粗品中纖維素的含量為67.21%。
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從圖4可知,粗纖維素產(chǎn)品中纖維素含量隨著乙酸添加量的增加而增加,在乙酸添加量小于1%時,纖維素含量增加明顯,但乙酸添加量大于1%時,纖維素的含量下降。因為酸催化乙醇法制漿時,酸的使用有助于沙柳原料中纖維素、木質(zhì)素的分離,可以加快木質(zhì)素變成碎片并溶出,也會加速副反應(yīng)的發(fā)生,例如木質(zhì)素的聚合和纖維素的分解。因此酸催化乙醇法預(yù)處理沙柳原料的酸濃度選擇為1%較為適宜。
2.2.5 液固比的影響 考察液固比對纖維素含量的影響,分別設(shè)置液固比(mL ∶ g)為6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1、14 ∶ 1、16 ∶ 1,其余條件為蒸煮溫度 190 ℃,保溫時間45 min,乙醇濃度為50%,乙酸添加量為1%。蒸煮結(jié)果如圖5所示。
由圖5看出,纖維素含量隨著液固比的增加而增加,但液固比超過10 mL ∶ 1 g時纖維的含量開始緩慢下降。Gilarranz等認(rèn)為乙醇制漿法增加液比具有雙重作用,乙醇的脫木質(zhì)素能力具有氫離子濃度依賴性,液比增加體系酸度下降,木質(zhì)素脫除能力下降;乙醇具有溶解木質(zhì)素的能力,液比增加有利于木質(zhì)素的溶解,抑制木質(zhì)素的吸附[13]。因此,酸催化預(yù)處理沙柳原料的液固比選用10 mL ∶ 1 g較為適宜。
2.3 正交試驗
為了考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時間、乙酸添加量和液固比等影響因素之間的相互影響,優(yōu)化酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝條件,根據(jù)單因素試驗結(jié)果,對蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時間、乙酸添加量、液固比采用5因素4水平進(jìn)行L16(45)正交試驗。正交試驗設(shè)計方案見表1,正交試驗結(jié)果見表2。
從表2可以看出,溫度因素極差最大,為6.312,表明蒸煮溫度的改變對試驗指標(biāo)影響最大,溫度是要考慮的主要因素。最佳處理方案為A4B3C1D3E3,試驗按照A4B3C1D3E3的最佳因素處理沙柳原料,并在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行試驗得到粗纖維素的純度為67.21%(表3),結(jié)果高于單因素試驗和正交試驗中達(dá)到的最佳效果。因此,酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝最佳工藝條件為:蒸煮溫度為206 ℃、保溫時間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。
3 結(jié)論
從單因素試驗和正交試驗結(jié)果分析可以得出,沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝的最佳條件為蒸煮溫度為206 ℃、保溫時間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此處理條件下,獲得的纖維素粗品中纖維素的含量為67.21%。
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