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由于以石油、煤炭、天然气为代表的化石能源的不可再生资源的日趋枯竭,以及对环境的巨大破坏作用,人类迫切需要寻找其他再生能源来取代和补充。因此生物质能、太阳能、风能、水能、核能、地热能等新型清洁可再生资源的开发成为国际新能源发展领域的热点。其中,生物质能仅排在传统的化石能源之后成为第四大能源,在可再生资源中占有非常重要的地位。利用生物质制取燃料乙醇被认为是缓解目前能源紧张问题最有效的方法之一,因此已成为各国研究的热点。而通过生物质纤维素酸水解或酶水解产生糖类物质后再通过发酵制取燃料乙醇工艺应用非常普遍,其糖类物质的生成直接影响燃料乙醇的产率。
本论文以此为依据,以离子液体为中介,在一定的温度和压力下,利用生物质纤维素进行酸水解反应制备糖类物质。其目的旨在探索和研究一种利用原生质物质在催化剂的存在下制备还原性糖的新思路和新方法,为后续的还原性糖进一步降解为燃料乙醇开辟新的领域。
近年来,离子液体作为一种新型的绿色溶剂在纤维素中的应用已受到国内外研究者的广泛关注。由于纤维素因其特殊的结构很难直接被酸水解,需进行预处理,本论文是利用离子液体对纤维素的溶解以及对其结构的破坏,用酸作催化剂对纤维素进行水解,考察各种实验参数对还原糖产率的影响。
本论文合成了两种离子液体即1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体([Bmim]C1)和1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体([Amim]Cl),以棉花纤维素和玉米秸秆纤维素为原料,观察和比较了两种纤维素原料在离子液体中的溶解情况。在一定的温度和压力下,以离子液体为溶剂介质,用酸为催化剂水解纤维素,分离并提纯水解产物,检测还原糖产率。改变反应温度、压力和时间参数,通过正交实验找出水解生成还原糖的最佳优化条件。
研究表明,[Amim]Cl离子液体对纤维素的溶解优于[Bmim]Cl,当加入助溶剂如AlCl3后,纤维素在离子液体中的溶解度有所增加。溶解于离子液体中的纤维素经水再生后,红外光谱表明,纤维素在离子液体中没有发生衍生化反应,只是内部结构改变;XRD显示晶型由纤维素I变为纤维素II,结晶度降低;聚合度降低;通过热重分析得出,再生纤维素较原纤维素的热稳定性有所降低。通过酸水解反应得出,影响还原糖产率的顺序为:酸水解反应温度(℃)>酸水解反应时间(min)>酸水解反应压力(MPa);酸水解反应最佳优化条件为:当硫酸浓度为5%时,搅拌速率为300转/min,水解反应温度为90℃,水解反应时间为40 min,反应釜压力为0.5 MPa。结果还表明,当加入离子液体后,酸水解反应所得的还原糖产率有所提高,但重复性不是很好,其原因有待进一步研究和探讨。