超臨界CO2處理玉米秸稈殘留木質素形態(tài)及脫除研究

張敏華，呂惠生，呂春柳，任苗苗

（天津大學石油化工技術開發(fā)中心，天津 300072）

纖維素乙醇技術作為一種清潔能源技術，可以用來替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技術，緩解糧食危機[1]。其中利用可再生木質纖維素生產乙醇，已經成為世界各國的研究熱點。木質素是—種天然高分子聚合物，在自然界中的數(shù)量僅次于纖維素，是重要的可再生資源之一[2]。目前利用木質纖維素生產乙醇的研究非常多，但多數(shù)研究只強調對纖維素組分的轉化利用，而對木質素資源化利用的相關研究較少。在纖維素乙醇生產過程中，需要從木質纖維素中除去木質素，使酸或酶可以較容易水解纖維素，再通過發(fā)酵將纖維素轉化為乙醇[3-4]。超臨界流體預處理（Supercritical fluid pretreatment）作為一種新興的綠色化學工藝，主要應用于木質素的去除預處理，與傳統(tǒng)工藝相比較[5]，具有避免有害溶劑的使用、降低環(huán)境的污染、便于產物分離等優(yōu)點，受到了人們的廣泛關注[6-8]。雖然SCF預處理能夠有效脫除玉米秸稈中的大部分木質素，但仍有少量木質素不能被脫除，殘留在纖維素表面，從而降低纖維素酶解工藝的經濟性[9-11]。因此本試驗以SCF預處理玉米秸稈過程難以脫除的殘留木質素為對象，通過對處理后的秸稈表面形貌的觀察及表征研究，分析殘留木質素的存在形式，殘留木質素脫除困難的原因。并在這基礎上，比較不同洗脫方法對殘留木質素的影響，確定最佳的洗脫方法，進一步脫除殘留木質素，從而提高后續(xù)的酶解效率。

1　材料與方法

1.1　材料、試劑及儀器

材料：玉米秸稈原料由中糧（肇東）公司提供。

玉米秸稈原料主要成分分析：纖維素37.3%，半纖維20.6%及木質素17.5%。將玉米秸稈原料通過風干、粉碎處理，篩選出粒度為0.25～0.42 mm的實驗原料，放置于干燥器中儲存?zhèn)溆谩?/p>

試劑：純度為99.9%的CO2，無水乙醇，二氧六環(huán)，濃鹽酸，實驗試劑均為分析純規(guī)格，生產單位為天津江天化工公司。

儀器：MParr 4843型高壓反應器（美國Parr公司）；粉碎機（FW177，天津泰斯特公司）。

1.2　試驗方法

1.2.1　預處理實驗

超臨界CO2/乙醇-水處理玉米秸稈原料的實驗裝置及過程參見圖1。實驗方法：分別取5 g玉米秸稈、120 mL乙醇及80 mL水加入1000 mL的高壓反應器中，密封反應器。開啟磁力攪拌器的冷凝水；開啟CO2進料泵，向反應器中充入適量的CO2；然后調整磁力攪拌器轉速為300 r/min，設定反應溫度為180℃，壓力為15 MPa；打開高壓反應器加熱電源，當反應器內溫度達到設定溫度后，開始計時；反應時間60 min后，關閉加熱電源及攪拌器電源，將反應器從加熱槽中取出，通風降溫至30℃以下，打開反應器放氣閥，待釜內壓力降至常壓后，關閉冷凝水，開啟反應器的釜蓋，將反應所得混合產物取出；將反應產物采用布氏漏斗抽濾，將濾餅固體放置真空干燥箱中40℃烘干后，放入干燥器中保存。

圖1　超臨界CO2預處理實驗裝置圖[12]

1.2.2　洗脫實驗

通過超臨界CO2/乙醇-水處理后的玉米秸稈，木質素基質的復雜結構被破壞，大部分木質素片段從木質纖維素表面脫除，但纖維素表面還會存在殘余木質素。玉米秸稈洗脫實驗目的是脫除殘余木質素。洗脫實驗操作：將5 g預處理后的玉米秸稈、200 mL水/乙醇溶液（6∶4/v∶v）和1 wt%NaOH溶液置于反應器中，實驗溫度80℃；時間1 h，反應器采用水冷卻；洗脫處理后的玉米秸稈通過布氏漏斗后再用去離子水清洗；將洗脫樣品置于真空烘箱中40℃烘干，存儲在干燥器中備用。

1.2.3　掃描電鏡分析

采用掃描電鏡（SEM，Nanosem 430，F(xiàn)EI）觀察處理前后的玉米秸稈原料表面結構變化。實驗步驟：分別取適量不同處理條件獲得的干燥玉米秸稈樣品，通過離子濺射儀金靶濺射鍍金，再將鍍金后的秸稈樣品放置掃描電鏡下觀察并攝像記錄。

掃描電鏡的操作參數(shù)：加速電壓為0.1～30 kV；步長為1 kV；放大倍數(shù)為20～80萬；分辨率為1 nm；金屬膜厚度為5～10 nm；樣品臺操作范圍：X、Y方向50 mm，Z方向30 mm。

1.2.4　傅里葉紅外光譜(FT-IR)

取適量充分干燥的待測樣品，干燥條件下加入少量KBr粉末，在瑪瑙研缽內反復研磨均勻，經壓片機壓成透明薄片，通過Nicolet 6700型傅立葉變換紅外光譜儀進行紅外分析。漫反射紅外分析采用Smart Preformer Nexus/X700 ATR附件擠壓樣品片，保證樣品和diamond均勻接觸。紅外分析掃描范圍400～4000 cm-1，掃描次數(shù)64次。分辨率4 cm-1。

1.2.5　光電子能譜(XPS)

光電子能譜（XPS）是分析材料表面成分構成的有效手段之一。本試驗采用PerkinElmer公司的PHI-1600型X光電子能譜儀分析玉米秸稈表面組成。采用Mg靶Kα射線，功率250 W，掃描面積0.8 mm2。樣品室真空度為1.2×10-8Torr。各元素的結合能是以C1s電子結合能284.6 eV作為校正標準。

2　結果與分析

2.1　殘留木質素形貌分析（圖2）

圖2SEM圖像

采用掃描電鏡分析的方法，觀察預處理前后的玉米秸稈樣品表面的木質素殘留的狀態(tài)。從圖2(a)可以看出，未處理的玉米秸稈樣品的纖維表面光滑、纖維成束、排列緊密整齊，且分布稀疏微孔。從圖2(b)處理后的未做洗脫處理的玉米秸稈樣品的掃描電鏡圖可以發(fā)現(xiàn)，處理后的秸稈殘渣表面存在大量的球狀顆粒。Donohoe等[10]曾對酸處理及熱液處理之后的玉米秸稈表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈纖維表面存在球狀顆粒，并采用紅外、核磁等手段對球狀顆粒進行成分分析，確認該顆粒為木質素。木質素的電子顯微鏡相關的研究也表明，木質素是以球狀質點狀態(tài)或塊狀質點狀態(tài)聚集存在[13]?；谏鲜鲅芯?，可以推斷圖2(b)所示的球狀顆粒為木質素進一步聚合形成的較大分子的殘留木質素。球狀木質素顆粒也主要存在于纖維中,并且分布不均勻。

圖3為玉米秸稈纖維素表面殘留木質素顆粒的尺寸和形貌。從圖3(a)可看出：木質素顆粒的粒度為0.1～0.9μm。相比之下，沉積在有機溶劑制漿過程的殘留木質素的粒度范圍為500～2000μm[10]。Donohoe等[10]發(fā)現(xiàn)，在稀酸預處理過程中，木質素顆粒沉積的粒度范圍為0.02～0.1μm。因此可以看出，不同預處理方法可以改變木質素顆粒的大小。圖3是通過在較高的放大倍率下聚焦在單個粒子上獲得的。從圖3(b)可以看出，顆粒表面并不光滑。根據Donohoe等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，這些包裹在木質素顆粒表面的不平滑“外殼”可能是碳水化合物或者是木質素-碳水化合物復合體。然而同時還需要更多的研究來探討顆粒表面的成分組成。圖3(c)為一些顆粒聚集在一起，凝結成不規(guī)則顆粒，使顆粒變大。這表明這些木質素小顆粒之間存在相互作用。雖然確切的相互作用還不清楚，但仍有理由推測這種相互作用可以促進木質素的聚集。這一假設可以解釋各種大小的木質素小球，如圖3(a)所示。殘留木質素的球狀顆粒具有較大的表面積，對后續(xù)酶解起到抑制作用，降低酶解效率，需采用有效方法進行脫除。

2.2　殘余木質素的脫除研究

基于上述分析，分別選擇乙醇水溶液（6∶4/v∶v）和1%(wt%)NaOH水溶液對于殘留木質素進行脫除，玉米秸稈殘留木質素的脫除在MParr 4843反應釜中操作。分別取5 g預處理秸稈殘渣和200 mL處理液于反應釜中。處理溫度設置為80℃，時間為1 h。反應釜具體操作方法見1.2。處理完成后，將洗脫液與秸稈混合物取出，布氏漏斗抽濾，濾餅采用去離子水反復洗脫。最后，將固體濾餅取出，40℃真空干燥。干燥后的樣品置于4℃下冷藏。

圖3　預處理后未洗脫的玉米秸稈表面球狀顆粒的尺寸和形貌分析

2.2.1　乙醇水(6∶4/v∶v)洗脫法

溫度和溶解度是影響殘留木質素沉積的重要因素。研究表明，濃度60%（v∶v）左右的乙醇溶液在80℃時對木質素具有較好的溶解作用[14]。因此,采用80℃乙醇水(6∶4/v∶v)溶液對預處理秸稈表面的殘留木質素進行脫除。

圖4為乙醇水(6∶4/v∶v)溶液脫除處理之后的預處理秸稈殘渣。由圖4看出，乙醇水溶液處理之后的預處理秸稈殘渣表面仍有大量的球狀木質素顆粒，說明部分殘留木質素仍不能被乙醇水溶液溶解脫除。根據xu等[15]的研究可知：在60%乙醇水溶液中，當溫度在80℃以上時，木質素具有很好的溶解性。然而，如圖4所示，在80℃下，60%乙醇溶液不能除去纖維素表面的木質素顆粒。適宜溫度的乙醇-水溶液洗脫仍不能脫除部分殘留木質素，說明部分殘留木質素在乙醇水溶液中的溶解性較差。由此推斷，殘留木質素與纖維素表面不僅存在物理吸附作用，可能還存在一定的化學鍵合，使殘留木質素難以溶解脫除。

圖4　乙醇水(6∶4/v∶v)溶液處理后的預處理秸稈殘渣

2.2.2　1%NaOH洗脫法

采用質量分數(shù)為1%的NaOH溶液預處理秸稈表面的殘留木質素洗脫。采用80℃乙醇水溶液作為洗脫液，為殘留木質素的溶解提供適宜的溫度和溶劑。

圖5為1%NaOH溶液洗脫之后的預處理秸稈殘渣。可以看出，纖維素表面更加光滑。但仍有少量木質素顆粒。圖5（b）是在1%NaOH溶液洗脫后纖維素表面的殘余木質素的球形粒子圖像。可見，殘留木質素顆粒的表面受到一定程度上的破壞。木質素碳水化合物化合物由于堿性溶液的化學活性而被分解。因此，部分木質素顆粒被除去。結果表明，木質素的沉積既有物理吸附作用，又有化學反應。一方面，溶解的木質素碎片在乙醇溶液中由于溫度降低和木質素濃度增加而重新吸附在纖維上；另一方面，由于木質素碳水化合物的結合，一些木質素不能溶解在乙醇中，停留在纖維素表面。

2.2.3　兩種洗脫方法的比較

2.2.3.1ATR-FTIR分析比較

ATR衰減全反射光譜技術是紅外光譜測試中一種應用極其廣泛的技術，是一種有效的表面分析技術[16]。本研究采用ATR-FTIR技術分析經過不同處理的玉米秸稈表面發(fā)生的化學變化。圖6為分別經過不同處理的玉米秸稈ATR譜圖。

圖6　不同處理的玉米秸稈的光譜圖

圖6中1510 cm-1和1600 cm-1左右處為木質素苯環(huán)結構的典型吸收。由圖6可以看出，經過超臨界預處理之后，未洗脫的秸稈殘渣在1510 cm-1處有明顯吸收，說明在秸稈表面有大量的殘留木質素。分別經過乙醇溶液和NaOH溶液脫除處理之后，苯環(huán)峰吸收明顯減弱。說明兩種脫除方法均能有效脫除秸稈表面的殘留木質素。

對比不同的洗脫方法發(fā)現(xiàn)，經過乙醇洗脫后的秸稈殘渣上苯環(huán)峰吸收較未洗脫秸稈殘渣減弱，但是仍明顯存在，說明殘留木質素只有部分被脫除，仍有一部分存在于秸稈表面，不能被洗脫脫除。經過NaOH溶液洗脫的秸稈殘渣已經幾乎看不到苯環(huán)峰的吸收，說明與乙醇水溶液相比，NaOH溶液能更好地脫除秸稈表面的殘留木質素。這一點與SEM分析結果相符。

玉米秸稈經過超臨界預處理后，木質素脫除率達到78%，大部分的木質素脫離秸稈。但是，由紅外分析發(fā)現(xiàn)，1510 cm-1處峰的吸收明顯增強。由此推斷，經過預處理之后，木質素的三維網狀結構遭到破壞，木質素小分子從三維骨架中溶出，大部分木質素溶解到預處理液中，脫離秸稈表面，從而達到較高的脫除率。另一部分未脫除的殘留木質素則沉積在纖維素表面，因此，使得ATR譜圖中苯環(huán)峰仍然具有較強的吸收。乙醇水溶液能脫除部分殘留木質素，但是仍有部分殘留木質素較難被溶解脫除。NaOH溶液洗脫能有效脫除預處理秸稈表面的殘留木質素。

2.2.3.2XPS分析比較

XPS是分析纖維素纖維表面成分的有效工具。采用XPS分析不同處理后的秸稈樣品，結果見表1。

圖5　1%NaOH洗脫預處理秸稈殘渣SEM

表1　不同秸稈樣品XPS分析結果比較*

對于木質纖維素原料，C1（C-C或C-H或C=C）只存在于木質素中及可溶物中，不存在于纖維素和半纖維素中。因此纖維素表面的殘留木質素沉積量可以通過C1含量分析。殘留木質素沉積量及殘留木質素脫除率計算公式參考相關文獻，具體公式如下[17]：

其中，?(lignin)代表表面木質素含量；R代表乙醇水(6∶4/v∶v)溶液和1%NaOH水溶液對表面木質素的脫除率。

由表1可看出，預處理之后，殘留木質素沉積量?(lignin)減小，說明超臨界預處理可以破壞木質素對纖維素的包裹，更多的纖維素纖維暴露出表面，纖維素表面的木質素減少。結合木質素脫除率分析結果，超臨界預處理能脫除大部分木質素。預處理秸稈分別經過乙醇水(6∶4/v∶v)溶液洗脫以及1%NaOH溶液洗脫之后，?(lignin)依次減小，表明兩種洗脫方法能有效脫除纖維素表面的殘留木質素。乙醇水溶液及NaOH水溶液對殘留木質素的脫除率分別為19.2%及22.2%，說明兩者均能脫除部分殘留木質素。但是可以看出1%NaOH溶液洗脫效果較好。

3　結論

3.1在玉米秸稈超臨界CO2/乙醇-水預處理過程中難以脫除的殘留木質素以球狀顆粒形式不均勻分布在纖維素表面，粒度為0.1～0.9μm，并在纖維素粗糙表面相互聚集，形成多粒度的殘留木質素顆粒。

3.2殘留木質素的球狀顆粒具有較大的表面積，對后續(xù)酶解起到抑制作用，降低酶解效率，需采用有效方法進行脫除。

3.3乙醇水(6∶4/v∶v)溶液及1%NaOH水溶液對殘留木質素的脫除率分別為19.2%及22.2%，說明兩者均能脫除部分殘留木質素，并且NaOH水溶液脫除效果優(yōu)于乙醇水溶液。

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