蔗渣堿木素液化制備酚類化合物*

隋鑫金 武書彬，2?

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州510640;2.中國科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室，廣東廣州510640)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題越來越受到重視.傳統(tǒng)的能源供應(yīng)(煤和石油等)面臨短缺，對新能源的開發(fā)和利用是各國科研人員非常關(guān)注的課題，其中，生物質(zhì)能由于其綠色和可再生的優(yōu)點，已成為研究的熱點.木質(zhì)素是天然的高分子有機化合物，廣泛存在于植物體中，產(chǎn)量僅次于纖維素.木質(zhì)素液化產(chǎn)物的應(yīng)用很廣泛，但是采用不同的方法得到的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)不同.木質(zhì)素原料的轉(zhuǎn)化可以采用物理方法、熱化學(xué)方法和生物轉(zhuǎn)化方法等.木質(zhì)素在常壓、溫度相對較低(150～180℃)時，在催化劑作用下可實現(xiàn)液化以制備化工原料，無需耐壓設(shè)備，能耗相對較低.常用的液化劑主要有苯酚和多羥基醇兩大類，借助液化劑進行溶解液化是目前廣泛采用的木質(zhì)素液化方法［1－2］.

國內(nèi)對麥草木質(zhì)素的液化降解進行了研究，在乙二醇溶劑中，以濃硫酸/苯酚為催化劑進行液化反應(yīng).實驗表明，木質(zhì)素在酸性條件下酚化降解，生成一系列苯丙烷結(jié)構(gòu)單體、二聚體和多聚體［3］.可見，在溫度相對較低(150～180℃)時，木質(zhì)素只能降解為苯丙烷結(jié)構(gòu)單元的單體級別，并不能達到進一步降解生產(chǎn)小分子酚類化合物的目的.國外對高溫條件下的木質(zhì)素催化液化進行了一系列研究，Okuda等［4］研究了木質(zhì)素在高壓反應(yīng)釜內(nèi)的液化過程，加熱溫度為400℃，溶劑為苯酚－水溶液.液化產(chǎn)物中主要為酚類化合物，酚類產(chǎn)物相對分子質(zhì)量分布集中在100～300范圍內(nèi).Karagoz等［5］研究了木粉在堿催化時的液化效果，加熱溫度為280℃，溶劑為K2CO3的水溶液，固體殘渣產(chǎn)率達42%(對絕干木屑)，所以液化時酸催化的效果更為理想.

目前，堿木質(zhì)素的液化成本比較高，產(chǎn)品難以有效利用，這是造成木質(zhì)素液化技術(shù)難以進入產(chǎn)業(yè)化的主要原因［6］.針對此技術(shù)難題，文中主要研究了蔗渣堿木質(zhì)素的液化反應(yīng)及催化劑硅酸鋁的催化效果，并對液化工藝條件進行了優(yōu)化，同時討論了堿木素在液化反應(yīng)過程中的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，以期為工業(yè)木質(zhì)素高效率轉(zhuǎn)化為小分子酚類化合物提供理論依據(jù).

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

蔗渣硫酸鹽法制漿黑液取自廣西貴糖股份有限公司，蔗渣堿木素的分離與提純方法見1.3.1節(jié).硅酸鈉、硫酸鋁、濃硫酸、丙三醇均為分析純，甲醇為色譜純.

1.2 儀器

采用250mL三口燒瓶、加熱電爐、水銀溫度計、冷凝管組成液化反應(yīng)裝置.檢測儀器有:Thermo Nicolet公司Nexus系列的傅里葉變換紅外光譜儀(FT－IR);德國Bruker公司生產(chǎn)的DRX－400型400M超導(dǎo)核磁共振譜儀(1HNMR)，溶劑為氘代二甲基亞砜(DMSO－d6)，外標(biāo)為四甲基硅烷(TMS);美國Waters公司的 Waters 600型液相色譜儀(HPLC)，6000A型泵，RID－10A型示差折光檢測器.

1.3 實驗方法

1.3.1 蔗渣堿木素的分離與提純

將凈化過濾除去纖維和雜質(zhì)的黑液置于60℃恒溫水浴鍋中，邊攪拌邊滴加10%的H2SO4溶液，調(diào)pH值至2.0，大量木素沉淀析出，所得沉淀在5000r/min下離心分離，取足量的去離子水(用10%的H2SO4溶液調(diào)pH值至2.0)對木素沉淀洗滌2～3次，并離心分離，所得沉淀在常溫下真空干燥48 h以上，即可得到干燥的堿木素.上述堿木素用二氧六環(huán)與去離子水(體積比9∶1)的混合溶液抽提1.5h，抽提液在50℃下進行減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，濃縮至3～5mL，濃縮后的溶液轉(zhuǎn)入表面皿內(nèi)并置于真空干燥箱中于40℃下干燥，即可得到較純凈的堿木素，其中糖的含量在0.1%以下［7］.

1.3.2 硅酸鋁的制備

以硅酸鈉與酸化硫酸鋁為原料進行中和反應(yīng)制備硅酸鋁.其中，酸化硫酸鋁的制備方法為:取10 g硫酸鋁完全溶于250mL去離子水中，邊攪拌邊滴加10%的H2SO4溶液50mL，即可得到酸化硫酸鋁.制備硅酸鋁的主要反應(yīng)式為

反應(yīng)完畢后，繼續(xù)保持45℃，攪拌2 h，然后用去離子水洗滌，直到測得洗液的電導(dǎo)率符合要求時，放入烘箱中6～8 h，然后放入箱式電阻爐中以設(shè)計的溫度(400 ～600℃)焙燒2h，稱量裝瓶［8］.制備的硅酸鋁為無色晶體，密度為3.247g/cm3，熔點為1545℃.

1.3.3 堿木素的乙酰化處理

堿木素在1H NMR檢測之前，為了增強木素結(jié)構(gòu)單元中羥基的信號峰，要對其進行乙?；幚?在氮氣保護下依次加入16mL吡啶和8 mL乙酸酐，最后拔出氣管，迅速密封瓶塞，將錐形瓶室溫避光放置72h.放置期間要經(jīng)常搖動，以便于反應(yīng)均勻.量取200mL乙醚放入500mL燒杯中，把燒杯置于磁力攪拌器上，邊攪拌邊逐滴加入上述錐形瓶中的溶液，靜置8h后用虹吸法去除上層清液，離心分離沉淀，用乙醚洗滌后再離心分離，如此重復(fù)2～3次，直至無吡啶氣味為止，冷凍干燥后得到乙?；舅卦嚇樱?］.

1.3.4 堿木素液化反應(yīng)

每次在三口燒瓶中裝10 g絕干原料，將其放在加熱爐中，初始溫度為20℃，15 min左右升至加熱溫度，液化到所需時間后冷卻放料.為使液化反應(yīng)過程中的堿木素分散受熱均勻，不易結(jié)塊，低于270℃時反應(yīng)裝置中采用電動攪拌器攪拌，轉(zhuǎn)速300r/min，在加熱溫度達到270℃時，溶劑丙三醇會形成丙三醇蒸氣并冷凝回流.以硅酸鋁為催化劑、丙三醇為溶劑，采用正交試驗對硅酸鋁用量(與絕干堿木素的質(zhì)量比，A)、加熱時間(B)、加熱溫度(C)、溶劑溶質(zhì)比(溶劑體積與溶質(zhì)質(zhì)量比，D)進行優(yōu)化，如表1所示.

表1 液化反應(yīng)的因素水平表Table 1 Factors and levels of liquefaction process

1.3.5 產(chǎn)物的分離及分析

總酚類化合物含量的計算方法為:液化反應(yīng)結(jié)束后，稱出液化產(chǎn)物的總質(zhì)量，從中稱取0.5 g液化產(chǎn)物用去離子水稀釋.再用已知濃度的氫氧化鈉溶液中和滴定，用酚酞作終點指示劑.根據(jù)消耗的氫氧化鈉的物質(zhì)的量可計算出產(chǎn)物中總酚類化合物的物質(zhì)的量，根據(jù)文獻［3］可知，木素液化產(chǎn)物中酚類化合物的平均相對分子質(zhì)量為200左右，由此可計算出總酚類化合物的質(zhì)量.

液化反應(yīng)結(jié)束后，除去不溶物，其余物質(zhì)全部溶于甲醇，采用HPLC測定液化產(chǎn)物種類及其相對含量.依據(jù)對1H NMR液化產(chǎn)物的定性分析選擇標(biāo)準(zhǔn)物，液化產(chǎn)物中酚類產(chǎn)物有多種，選擇其中的主要酚類組分.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類定為苯酚、2，6－二甲氧基苯酚、2－甲氧基苯酚以及溶劑丙三醇.各酚類產(chǎn)物得率的計算方法為外標(biāo)曲線法，即先用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品進行一系列進樣，得到峰面積與相對含量的回歸直線方程，再將待測樣品進樣，由得到的峰面積即可計算出樣品中對應(yīng)的酚類產(chǎn)物含量［9］.

HPLC的操作條件為:進樣量5μL，Waters Ultrahydrogel 250色譜柱，流動相甲醇/水體積比為6∶4，流速為1.0mL/min，檢測波長為254nm.對堿木素原料和液化產(chǎn)物采用FT－IR和1H NMR進行對比檢測［7］，分析出反應(yīng)前后樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異，再結(jié)合液相色譜的產(chǎn)物分析結(jié)果，得出堿木素在液化過程中的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律.

2 結(jié)果與討論

2.1 液化反應(yīng)條件的優(yōu)化及HLPC分析

正交試驗結(jié)果如表2所示.以所有酚類物質(zhì)的得率之和為評價依據(jù)，通過分析可以得出最優(yōu)條件為A2B2C2D3，即硅酸鋁用量為絕干堿木素質(zhì)量的4%，加熱時間1.0 h，加熱溫度270℃，溶劑溶質(zhì)比6mL/g，溶劑為丙三醇.其中，硅酸鋁為固體酸催化劑，催化功能來源于固體表面上存在的具有催化活性的酸性部位，稱其為酸中心，反應(yīng)過程中基本不消耗，反應(yīng)后以固體狀態(tài)留在燒瓶底部，可進行回收并循環(huán)利用.

按表2中的優(yōu)化條件進一步對液化反應(yīng)進行再現(xiàn)試驗，滴定法測得總酚類化合物為5.4106g，堿木素原料為 10 g(絕干)，酚類化合物得率可達54.10%.3種主要的酚類得率的外標(biāo)計算方法見1.3.5節(jié).將HPLC檢測的峰面積按外標(biāo)曲線法換算成對應(yīng)的酚類產(chǎn)物含量:2，6－二甲氧基苯酚1.5732g，2－甲氧基苯酚1.2261 g，苯酚1.3648 g.可計算出3種主要的酚類產(chǎn)物得率為2，6－二甲氧基苯酚15.73%、2－甲氧基苯酚12.26%、苯酚13.65%.3種主要酚類產(chǎn)物的產(chǎn)量可占到總酚產(chǎn)量的77%，說明該液化方法可達到很好的液化效果，產(chǎn)率較高，產(chǎn)物比較集中.根據(jù)HPLC檢測結(jié)果，除了上述3種主要酚類產(chǎn)物外，還生成了少量的2－甲氧基－4－甲基苯酚、2－甲氧基－4－乙基苯酚、4－乙基苯酚等，因為它們得率較低，所以在此不進行詳細討論.

表2 正交試驗結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal test

液化反應(yīng)時，在固體酸催化劑和高溫的共同作用下，堿木素通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為小分子酚類化合物.Drage等［10］研究了木素在熱裂解時的反應(yīng)規(guī)律，當(dāng)溫度達到300℃時，堿木素開始發(fā)生熱裂解，酸性條件會促進木素結(jié)構(gòu)單元中醚鍵的斷裂.Binder等［11］對木素模型物的催化液化進行了研究，以離子液體為加熱介質(zhì)、金屬鹽為催化劑，結(jié)果表明，用FeCl2、AlCl3催化時木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化率分別為91.0%、95.1%.由此可見，鋁鹽的催化效果更為理想.Wahyudiono等［12］研究了木質(zhì)素在臨界和超臨界水中的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，在350～400℃時，木質(zhì)素的側(cè)鏈和烷基芳基醚鍵均會發(fā)生斷裂，產(chǎn)物中生成的酚類化合物有苯鄰二酚(28.37%)、苯酚 (7.53%)、對甲酚和間甲酚 (7.87%)以及鄰－甲酚(3.80%).綜上可以得出，選用硅酸鋁為催化劑可以在降低木素液化溫度的情況下獲得小分子的酚類產(chǎn)物.

2.2 堿木素結(jié)構(gòu)的變化

2.2.1 FT－IR 分析

圖1(a)為堿木素原料的紅外光譜圖.通過分析可以得出，反應(yīng)前木素結(jié)構(gòu)單元中存在羰基，即1660.44～1612.23cm－1處的吸收峰，在木素苯丙烷結(jié)構(gòu)中，羰基只能接在脂肪族側(cè)鏈上，α、β、γ位均有可能.1400.09cm－1處吸收峰強度很大，代表苯環(huán)的骨架振動吸收峰.1454.09 cm－1處為木素苯環(huán)上的甲氧基吸收峰.1261.24 cm－1處為木素的特征吸收峰，即側(cè)鏈上主要為α、β位烷基芳基醚鍵聯(lián)接.圖1(b)為液化后殘余堿木素的紅外譜圖，對比兩圖可知，圖1(a)中1261.24cm－1處的醚鍵峰在圖1(b)中已經(jīng)消失，說明液化反應(yīng)時木素分子結(jié)構(gòu)中的醚鍵發(fā)生了斷裂.

圖1 堿木素原料及液化后殘余堿木素的紅外光譜圖Fig.1 FT－IR spectra of alkali lignin and residual alkali lignin after liquefaction

2.2.2 1H NMR分析

圖2為蔗渣堿木素原料的1H NMR譜圖.

圖2 堿木素原料的1H NMR譜圖Fig.2 1H NMR spectrum of alkali lignin

由圖2中可知，化學(xué)位移3.515處是甲氧基的譜峰，此峰最高，說明蔗渣堿木素中甲氧基含量較多.在苯環(huán)質(zhì)子區(qū)(化學(xué)位移為7.000～6.500)，化學(xué)位移為7.020、6.980和6.750處分別是對羥苯基單元(H)、愈創(chuàng)木基單元(G)和紫丁香基單元(S)苯環(huán)上質(zhì)子的吸收峰.2.253處為芳香族的乙?；|(zhì)子吸收峰，1.580處為脂肪族的乙?；|(zhì)子吸收峰，說明苯環(huán)和烷基側(cè)鏈上都存在一定數(shù)量的羥基.

圖3為液化反應(yīng)產(chǎn)物的1H NMR譜圖.由圖3中可知，液化反應(yīng)后，在7.500處附近增加了一些吸收峰，而且含量較多.經(jīng)分析可知，7.720、7.010、6.830處分別對應(yīng)的是苯酚、2－甲氧基苯酚、2，6－二甲氧基苯酚的特征吸收峰，這與液相色譜的結(jié)論是一致的，說明液化反應(yīng)后確實產(chǎn)生了3種酚類產(chǎn)物.圖3中4.490處的吸收峰為溶劑丙三醇的吸收峰，占峰面積總量的30.97%，含量最多，液化反應(yīng)后可進行回收利用.液化后3.515處的甲氧基的譜峰仍然比較明顯，說明液化反應(yīng)對甲氧基化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響不大.對比液化前后的核磁譜圖(圖2與3)，4.000處的α、β位醚鍵與3.500處的甲氧基兩峰的相對比例發(fā)生了較大變化，說明液化反應(yīng)后甲氧基周圍的化學(xué)環(huán)境由于α、β位醚鍵的斷裂而發(fā)生了變化，所以吸收峰發(fā)生了遷移.由此可得出，圖3中4.000處的吸收峰應(yīng)為液化產(chǎn)物的甲氧基吸收峰，3.500處的吸收峰為少量殘余堿木素中的甲氧基吸收峰.在0～1.000區(qū)域內(nèi)有吸收峰，這是反應(yīng)過程中木素苯丙烷脂肪族側(cè)鏈斷裂后，生成的少量烷烴的吸收峰.此外，在1.000～2.500區(qū)域內(nèi)也有吸收峰，強度不是很大，這是少量烯烴、小分子酯類的吸收峰.因為在液化反應(yīng)時，木素側(cè)鏈斷裂生成的醇會脫水形成烯烴結(jié)構(gòu)，也可能是小分子醇與小分子羧酸發(fā)生了酯化.Taner等［13］研究了木質(zhì)素的液化產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)液化產(chǎn)物中生成了丁內(nèi)酯、烯酮類化合物.這些結(jié)果都證明液化產(chǎn)物中小分子產(chǎn)物會發(fā)生一些縮合及酯化反應(yīng).

圖3 液化產(chǎn)物的1H NMR譜圖Fig.3 1H NMR spectrum of liquefaction products

2.2.3 堿木素液化的化學(xué)反應(yīng)式

Karagoz等［14］研究了高壓鍋內(nèi)加熱溫度為280℃時，木材在堿催劑條件下的反應(yīng)，液化溶劑為水.研究結(jié)果表明，液化產(chǎn)物中同樣含有酚類化合物，說明高溫時，無論是在酸還是堿催化條件下，木質(zhì)素苯丙烷結(jié)構(gòu)單元均會發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂，產(chǎn)生酚類化合物.Drage 等［10］研究了木素模型物即愈創(chuàng)木基－β－愈創(chuàng)木基醚和愈創(chuàng)木基－β－紫丁香基醚在受熱時的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)在300℃時模型物發(fā)生裂解，β位的醚鍵發(fā)生斷裂，并且產(chǎn)物中有2，6－二甲氧基苯酚，說明這是 CαC—aromatic鍵發(fā)生斷裂產(chǎn)生的，這與McKinney等［15］的結(jié)論是一致的，后者也證實了鍵和β位的醚鍵在加熱達到300℃時會發(fā)生斷裂.

實驗中采用硅酸鋁為固體酸催化劑，270℃時，液化產(chǎn)物中酚類產(chǎn)物有多種，其中3種主要的酚類產(chǎn)物為2，6－二甲氧基苯酚、2－甲氧基苯酚、苯酚.由此可推斷出木素苯丙烷結(jié)構(gòu)發(fā)生了如圖4所示的化學(xué)反應(yīng)鍵發(fā)生斷裂，這樣木素結(jié)構(gòu)中脂肪族側(cè)鏈與苯環(huán)的分離導(dǎo)致了產(chǎn)物中會形成一系列酚類化合物.同時，大量的β位醚鍵會發(fā)生斷裂，這是因為在高溫和酸的共同作用下，醚鍵結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而斷開.少量α位的醚鍵也同樣會發(fā)生斷裂而生成苯酚.木素側(cè)鏈斷裂后會生成小分子的醇類、酯類及烯酮類化合物，這是因為小分子產(chǎn)物間在液化過程中發(fā)生了縮合和酯化反應(yīng).

圖4 蔗渣堿木素在液化過程中的結(jié)構(gòu)變化Fig.4 Structural changes of bagasse alkali lignin during liquefaction

3 結(jié)論

(1)蔗渣堿木素液化反應(yīng)的最優(yōu)條件為:固體酸催化劑硅酸鋁用量為絕干堿木素質(zhì)量的4%，加熱時間1.0h，加熱溫度270℃，溶質(zhì)溶劑比6 mL/g，溶劑為丙三醇.最優(yōu)條件下，酚類化合物的得率為54.10%.液化產(chǎn)物中主要含3種酚類物質(zhì)，包括2，6－二甲氧基苯酚(得率15.73%)、2－甲氧基苯酚(得率12.26%)、苯酚(得率13.65%).

(2)根據(jù)液化反應(yīng)前后結(jié)構(gòu)的對比分析可知，堿木素發(fā)生了兩種結(jié)構(gòu)變化:首先是鍵發(fā)生斷裂，木素結(jié)構(gòu)中脂肪族側(cè)鏈與苯環(huán)的分離導(dǎo)致產(chǎn)物中形成一系列酚類化合物;其次是大量的β位醚鍵在高溫和酸的共同作用下因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而斷開，少量α位的醚鍵也同樣會發(fā)生斷裂而生成苯酚.木素側(cè)鏈斷裂后生成小分子的醇類、酯類及烯酮類化合物.

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