過氧化氫漂白富纖維素材料制備透明纖維素膜研究

王麗莉 歐陽土龍 戴興興 盧興庚 梁華珍 鄧榕 程芳超

摘要：

為有效分離生物質(zhì)組分，探索以分離后的生物質(zhì)組分制備透明纖維素膜的方法，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料的高效利用，以蔗渣和楊木為生物質(zhì)原料，經(jīng)苯醇抽提、離子液體體系組分分離處理后，利用堿性過氧化氫體系漂白組分分離所得富纖維素材料（CRM），通過三因素混合水平正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化漂白工藝，分析其漂白前后的CIE L*a*b*色度學(xué)參數(shù)差異，并利用超聲處理漂白后的蔗渣CRM以制備透明纖維素薄膜。結(jié)果表明，過氧化氫對富纖維素材料具有明顯的漂白作用及脫除木質(zhì)素的作用，其中對蔗渣CRM的漂白效果比楊木CRM的更為顯著；最優(yōu)漂白條件為：反應(yīng)溫度75 ℃、過氧化氫濃度15%、反應(yīng)時(shí)長1 h，其中反應(yīng)溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響最大；經(jīng)漂白后的CRM可經(jīng)超聲處理制備具有較好透光性能的纖維素膜。

關(guān)鍵詞：

富纖維素材料；過氧化氫；漂白；離子液體；透明纖維素膜

中圖分類號：T S65文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2018）01-0041-05

Abstract：

To fractionate biomass and prepare transparent cellulose membrane，bagasse and poplar，as raw biomass materials，were extracted by benzenealcohol solution and then fractionated with ionic liquid system.The obtained celluloserich material（CRM）was bleached by alkaline hydrogen peroxide solution.

Threefactor mixed level orthogonal experiments were designed to optimize the bleaching process，and the differences on CIE L*a*b* colorimetry parameters of CRMs before and after the bleaching process were analyzed.Finally，transparent cellulose membranes were produced by ultrasound treatment of bleached bagasse CRM.Results indicated that hydrogen peroxide had obvious effects on bleaching and delignification of CRM，and the bleaching effect of the system on bagasse CRM was significantly higher than that of poplar CRM.The optimal bleaching conditions were as follows：the reaction temperature was 75 ℃，the concentration of hydrogen peroxide was 15% and the reaction time was 1 h.The reaction temperature had the greatest effect on the experimental results.Bleached CRM can be used to produce transparent cellulose membrane through further ultrasonic process.

Keywords：

Celluloserich material；hydrogen peroxide；bleaching；ionic liquid；transparent cellulose membranes

0引言

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，資源、能源消耗越發(fā)嚴(yán)重，使地球面臨著資源匱竭和環(huán)境污染兩大問題。生物質(zhì)因具有儲量豐富且可再生的優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注，近年來以生物質(zhì)為原料的生物精煉的概念應(yīng)運(yùn)而生[1]。基于這一概念，首先對生物質(zhì)的各個(gè)組分進(jìn)行分離，之后逐一加以利用，制備高性能、高附加值的材料、能源、化學(xué)品。在眾多的生物質(zhì)先進(jìn)材料中，納米纖維素因性能優(yōu)異而備受關(guān)注。

納米纖維素是指至少有一維空間的尺寸達(dá)到納米級別的纖維素，粒徑一般在30～100 nm，呈顆粒狀或棒狀[2-3]。來源于生物質(zhì)的納米纖維素不僅具備了纖維素的基本結(jié)構(gòu)和功能，還具有區(qū)別于纖維素的納米顆粒特性，將納米纖維素成膜并干燥后可以得到透明納米纖維素薄膜[4]，所得的透明纖維素膜具有高強(qiáng)度、高透明性以及高氣體阻隔性等優(yōu)點(diǎn)，在柔性器件、光學(xué)材料、儲能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。但現(xiàn)有的納米纖維素的制備多是經(jīng)制漿、漂白過程得到紙漿后，經(jīng)機(jī)械處理或酸水解處理得到納米纖維素，而現(xiàn)有的工藝多采用亞硫酸鹽和含氯試劑進(jìn)行制漿和漂白，對環(huán)境影響較大[6-7]。為有效降低透明纖維素膜制備過程中的環(huán)境影響，本論文利用蔗渣和楊木為原料，首先進(jìn)行苯醇抽提預(yù)處理，然后經(jīng)過離子液體體系組分分離處理獲得富纖維素材料（cellulose-rich material，CRM），之后利用堿性過氧化氫進(jìn)行漂白，最后利用超聲處理經(jīng)過氧化氫漂白后的蔗渣富纖維素制備透明纖維素薄膜。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的蔗渣由廣西農(nóng)墾集團(tuán)上思昌菱制糖廠提供，楊木（大青楊，Populus ussuriensis Kom.）由東北林業(yè)大學(xué)提供。利用小型粉碎機(jī)將甘蔗渣和楊木粉碎，并經(jīng)100目的網(wǎng)篩篩分出小于100目的原料，放入烘箱中干燥至絕干備用。實(shí)驗(yàn)所用到的化學(xué)藥劑均購自天津市富宇精細(xì)化工有限公司，且未經(jīng)任何處理直接使用。

1.2生物質(zhì)苯醇抽提及組分分離過程

用苯醇溶液（苯∶無水乙醇=2∶1，體積比）對上述生物質(zhì)原料進(jìn)行索氏抽提6 h。抽提完成之后用無水乙醇清洗若干次，直至消除原材料中的苯，再用蒸餾水清洗若干次，以除去乙醇，后放入烘箱干燥備用。

經(jīng)抽提后的生物質(zhì)原料（1g）在1，2-丙二醇和水（4∶1，V/V）及離子液體催化劑（1g）組成的混合體系中，溫度為200 ℃條件下處理30 min。處理完成后，真空抽濾（濾膜為尼龍有機(jī)用濾膜，孔徑為0.45 μm）分離得到CRM，用蒸餾水清洗兩遍后干燥備用。收集濾液并加入過量的水可以沉淀并分離出木質(zhì)素。

1.3過氧化氫漂白富纖維素

稱取50 g的過氧化氫（濃度為15%或30%）于錐形瓶中，加入0.1 g七水硫酸鎂穩(wěn)定劑，使用15%的氫氧化鈉溶液調(diào)整pH值為9～10。稱取0.5 g富纖維素材料，倒入調(diào)好pH的錐形瓶中，放至達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的油浴鍋中加熱處理，并同時(shí)進(jìn)行磁力攪拌。反應(yīng)完成后將錐形瓶從油浴鍋中取出，冷卻至室溫，使用0.5 mol/L硫酸將瓶中溶液pH值調(diào)為6～7，隨后抽濾，將濾渣清洗后放入烘箱中干燥備用。

為優(yōu)化過氧化氫漂白CRM過程，采用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究分析，根據(jù)L8（4×24）正交表確定因素水平。共有反應(yīng)溫度（因素A：45、55、65、75 ℃）、過氧化氫濃度（因素B：15%、30%）、反應(yīng)時(shí)間（因素C：1、2 h）三個(gè)因素，正交試驗(yàn)安排見表1。

1.4生物質(zhì)組分含量測定

為分析過氧化氫漂白CRM后對其組分含量的影響，采用文獻(xiàn)[8]中的方法對漂白處理前后的CRM組分含量進(jìn)行了測定。稱取0.2 g干燥的生物質(zhì)材料，加入30 mL濃度為0.5 mol/L的硫酸中，并在105 ℃條件下冷凝回流2 h。處理完成后，進(jìn)行真空抽濾并清洗干燥濾渣，并稱重計(jì)算半纖維素含量，該步驟中損失的質(zhì)量即為半纖維素質(zhì)量。

向上述干燥后的濾渣中加入3 mL濃度為72%的硫酸并靜置4 h，直至瓶內(nèi)濾渣完全溶解。將其移至250 mL的燒瓶中，加入84 mL蒸餾水并在105 ℃冷凝回流2 h，完成后真空抽濾并清洗干燥濾渣，稱重即可得木質(zhì)素含量，剩余部分即為纖維素含量。

1.5超聲處理制備透明纖維素薄膜

取0.5 g漂白CRM分散于100 mL蒸餾水中，放入超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（功率1 800 W）超聲20分鐘。超聲結(jié)束后取出靜置，直至少量未分散纖維素沉淀后，分離出上層清液，并使用孔徑0.22 mm的有機(jī)濾膜進(jìn)行抽濾，在濾膜上可得到透明纖維素薄膜。將透明纖維素薄膜取下并干燥。

1.6表征方法

使用ADCI系列全自動色差計(jì)對漂白前后的蔗渣CRM進(jìn)行測色，并使用CIE 1976 L*a*b*均勻色空間系統(tǒng)表色。分別將干燥后的蔗渣CRM樣品用研缽研磨粉碎，取1～2 mg與200 mg純溴化鉀研細(xì)混合，在瑪瑙研缽中于紅外燈下研磨，在壓片機(jī)上壓成透明或者半透明薄片用于紅外光譜（FTIR）測定，紅外光譜的掃描范圍為390～4 000 cm-1。采用日立S-3 400 N掃描電子顯微鏡對經(jīng)超聲制備得到的透明纖維素薄膜進(jìn)行表征。

2結(jié)果分析與討論

2.1過氧化氫漂白對CRM組分含量的影響

本論文使用過氧化氫對蔗渣和楊木CRM進(jìn)行了漂白處理，處理?xiàng)l件均為反應(yīng)溫度65 ℃、過氧化氫濃度30%、處理時(shí)間2 h。分別對漂白前后的CRM進(jìn)行了組分含量測定，結(jié)果見表2。

表2中CRM得率指的是漂白后CRM質(zhì)量占漂白前CRM質(zhì)量的百分比，木質(zhì)素脫除率指的是漂白后的CRM中木質(zhì)素相比漂白前CRM中木質(zhì)素減少的程度，由公式（1）[9]計(jì)算得到。

式中：LR為木質(zhì)素脫除率，%；m1為漂白前CRM的質(zhì)量，g；m2為漂白后CRM的質(zhì)量，g；l1為漂白前CRM中木質(zhì)素的含量，%；l2則為漂白后CRM中木質(zhì)素的含量，%。

由表2可知，蔗渣CRM漂白后纖維素含量增加了1.23%，而楊木CRM漂白后纖維素含量降低了6.47%，說明在過氧化氫處理?xiàng)钅綜RM的過程中，纖維素?fù)p失較蔗渣CRM多，同時(shí)半纖維素或木質(zhì)素脫除量較少，從而引起了纖維素含量的降低。漂白后的蔗渣CRM和楊木CRM的半纖維素含量均略有提高，說明過氧化氫在漂白CRM的過程中對半纖維素幾乎沒有影響。

此外，蔗渣CRM和楊木CRM漂白后木質(zhì)素含量均比漂白前的木質(zhì)素含量低，木質(zhì)素脫除率達(dá)到了66.17%和38.14%，說明過氧化氫對蔗渣CRM和楊木CRM均有脫除木質(zhì)素的作用，且蔗渣CRM的木質(zhì)素脫除率明顯比楊木CRM的木質(zhì)素脫除率高。此外，楊木CRM的木質(zhì)素脫除率較低有可能是因?yàn)闂钅臼情熑~樹種，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)致木質(zhì)素難以脫除，而甘蔗屬于禾本科植物，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)較松散，相對更容易脫除木質(zhì)素。過氧化氫漂白后蔗渣和楊木CRM均具有極高的得率，分別為91.23%和92.49%。由上述結(jié)果可得，過氧化氫對蔗渣CRM漂白的效果比對楊木CRM的效果更好。

2.2過氧化氫漂白蔗渣CRM的正交實(shí)驗(yàn)分析

針對過氧化氫漂白蔗渣CRM設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，以尋求較優(yōu)的漂白方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其直觀分析見表3。

過氧化氫在堿性介質(zhì)中不能氧化木質(zhì)素的芳香骨架結(jié)構(gòu)，而是通過氧化木質(zhì)素側(cè)鏈的羰基結(jié)構(gòu)和醌型結(jié)構(gòu)來破壞木質(zhì)素的發(fā)色基團(tuán)并使其溶于漂白介質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到漂白的目的[10]。因此，漂白過程對木質(zhì)素的脫除至關(guān)重要，在正交試驗(yàn)結(jié)果分析過程中重點(diǎn)考察了不同條件對木質(zhì)素脫除率的影響。由表3可知，堿性過氧化氫在不同的反應(yīng)條件下漂白蔗渣CRM，其木質(zhì)素脫除率均能達(dá)到50%以上，最高達(dá)83.05%，說明在過氧化氫漂白蔗渣CRM的過程中，過氧化氫不僅可以破壞木質(zhì)素的發(fā)色基團(tuán)，同時(shí)也可以脫除CRM中殘留的大部分木質(zhì)素。其可能的機(jī)理是過氧化氫與木質(zhì)素的苯環(huán)醌型結(jié)構(gòu)反應(yīng)而改變木質(zhì)素的溶解性，使其溶于漂白試劑而脫除，或者是過氧化氫與木質(zhì)素的側(cè)鏈羰基和碳碳雙鍵反應(yīng)，其產(chǎn)物進(jìn)一步氧化降解導(dǎo)致了木質(zhì)素的脫除[11]。

上述結(jié)果說明：影響過氧化氫漂白蔗渣CRM效果的最主要因素為反應(yīng)溫度，其次是過氧化氫濃度，而反應(yīng)時(shí)長對漂白效果影響最小，較優(yōu)的反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度75℃、過氧化氫濃度15%、反應(yīng)時(shí)間1 h。

直觀分析法可以簡單直觀地得出結(jié)果，但不能估計(jì)誤差的大小，也不能精確地估計(jì)各因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度，因此，還對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出方差分析，結(jié)果見表4。

由表4可得，反應(yīng)溫度對過氧化氫漂白蔗渣CRM效果的影響最大，過氧化氫濃度對漂白效果的影響較小，而反應(yīng)時(shí)長則對漂白效果幾乎無影響，進(jìn)一步驗(yàn)證直觀分析得出的結(jié)論，即影響過氧化氫漂白蔗渣CRM因素的主次順序?yàn)榉磻?yīng)溫度>過氧化氫濃度>反應(yīng)時(shí)間。

2.3色差分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證漂白效果，使用ADCI系列全自動色差計(jì)對漂白前后的蔗渣CRM進(jìn)行測色，并使用CIE 1976 L*a*b*均勻色空間系統(tǒng)表色。測量結(jié)果見表5。

結(jié)果表明，蔗渣CRM經(jīng)過過氧化氫漂白之后整體明度指數(shù)上升較多，由漂白前的58.46上升到90左右（完全為白色的物體明度指數(shù)為100），其中第7組變化最大，明度最高，漂白效果顯著。此外，Δa*和Δb*均為負(fù)值，說明蔗渣CRM經(jīng)過漂白之后顏色均由紅黃向藍(lán)綠方向變化。而漂白后CRM的總體色差值ΔE*均在30以上，說明了過氧化氫較好的漂白效果。其中，第7組的總體色差值最高，為34.64，漂白效果最理想。正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，其木質(zhì)素脫除率在各組中最高，達(dá)到83.05%。由此可見，蔗渣CRM經(jīng)過氧化氫漂白后，木質(zhì)素的脫除與其漂白前后色差變化有著密切的聯(lián)系。

2.4FTIR分析

為分析漂白前后蔗渣CRM的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，本文測定了漂白前后蔗渣CRM的紅外光譜，如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[12-13]中的紅外特征峰分布，在圖中用點(diǎn)劃線標(biāo)出了半纖維素聚木糖乙?；刑佳蹼p鍵伸縮振動特征峰（1 732 cm-1），用虛線代表木質(zhì)素中羰基碳氧雙鍵伸縮振動特征峰（1 630 cm-1）及與苯環(huán)相連的C-H 變形振動及芳環(huán)振動特征峰（1 459 cm-1）的位置。由圖1可知，漂白后蔗渣CRM在半纖維素碳氧雙鍵伸縮振動特征峰的強(qiáng)度變小甚至消失，而組分測定的結(jié)果顯示半纖維素含量變化不大，說明過氧化氫漂白蔗渣CRM過程中脫除了半纖維素的乙?；６淼哪举|(zhì)素羰基碳氧雙鍵伸縮振動的特征峰和與苯環(huán)相連的C-H 變形振動及芳環(huán)振動較漂白前明顯減弱，說明過氧化氫在漂白蔗渣CRM的過程中脫除了部分木質(zhì)素，與組分含量分析中得出的結(jié)論相符。

2.5透明纖維素膜的宏觀與微觀形貌

圖2為經(jīng)超聲制備得到的透明纖維素薄膜的數(shù)碼圖像及SEM圖像。結(jié)果顯示，經(jīng)過真空抽濾后獲得的纖維素薄膜具有比較致密的結(jié)構(gòu)，厚度為1.5 mm，盡管其厚度較大但整體透光性較好，能夠清晰看到膜下方的學(xué)校標(biāo)識，符合亞微米級或納米級纖維素薄膜具有高透明度和透光性的典型特點(diǎn)[14]。放大倍數(shù)為10 000倍的SEM圖像顯示，薄膜中存在有直徑約為100-300 nm不等的棒狀纖維結(jié)構(gòu)，說明漂白后的蔗渣CRM經(jīng)超聲處理可以制備透明纖維素膜，但是薄膜中的納米纖維結(jié)構(gòu)粒徑不均勻。同時(shí)，SEM結(jié)果也驗(yàn)證了真空抽濾薄膜的結(jié)構(gòu)較為致密，孔隙較少。

2.6結(jié)果討論

在制漿造紙行業(yè)中，過氧化氫漂白，白度高且穩(wěn)定性好，紙漿得率高且環(huán)保無污染，是目前無元素氯漂白（ECF）和全無氯漂白（TCF）常用的化學(xué)漂劑之一[15-16]。過氧化氫漂白的原理主要被認(rèn)為是通過氧化木質(zhì)素側(cè)鏈的羰基結(jié)構(gòu)和醌型結(jié)構(gòu)來破壞木質(zhì)素的發(fā)色基團(tuán)而達(dá)到漂白的目的[17-18]。但同時(shí)有學(xué)者[9]認(rèn)為木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元的苯環(huán)本身是無色的，但是在蒸煮等處理過程中，苯環(huán)會形成醌式結(jié)構(gòu)的有色體，過氧化氫可以破壞苯環(huán)上的醌式結(jié)構(gòu)，使苯環(huán)被氧化開環(huán)，生成二元羧酸和芳香酸等降解產(chǎn)物，此外，過氧化氫與木質(zhì)素單元結(jié)構(gòu)側(cè)鏈羰基和碳碳雙鍵的反應(yīng)中，產(chǎn)物也有很大的可能會進(jìn)一步緩慢氧化降解。

結(jié)合本文中的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過氧化氫漂白能夠有效降解木質(zhì)素，實(shí)現(xiàn)較大的木質(zhì)素脫除率，同時(shí)將一些發(fā)色木質(zhì)素或木質(zhì)素的發(fā)色基團(tuán)從纖維素CRM中脫除出去，從而實(shí)現(xiàn)CRM的有效漂白。因此，上述兩種機(jī)理可能會在過氧化氫漂白過程中同時(shí)存在。漂白參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果說明，溫度對于漂白反應(yīng)起到了決定性的作用，其次是過氧化氫的濃度。而反應(yīng)時(shí)間的影響不顯著，說明了該漂白過程的反應(yīng)效率較高，能夠迅速實(shí)現(xiàn)CRM的漂白過程。

同時(shí)，本文的研究還發(fā)現(xiàn)了纖維素和半纖維素在漂白過程中發(fā)生的變化較小，因此過氧化氫漂白過程適合于對生物質(zhì)原料進(jìn)行處理，以制備透明纖維素膜，因?yàn)樵撨^程能夠較好的保持纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及在CRM中的含量。

盡管透明纖維素膜制備方法眾多，但現(xiàn)有的制備過程中存在影響環(huán)境及生物質(zhì)利用率低的問題。因此本文采用有“綠色溶劑”之稱的離子液體體系處理生物質(zhì)，有效分離各生物質(zhì)組分，并利用纖維素組分制備透明纖維素膜，提高了生物質(zhì)利用效率。該研究為生物質(zhì)原料的綜合高效利用提供了一種思路，符合廣受關(guān)注的生物精煉的理念。

3結(jié)論

過氧化氫對經(jīng)過離子液體體系分離得到的蔗渣CRM和楊木CRM均有漂白及脫除木質(zhì)素的作用，蔗渣CRM在漂白前后色差明顯。過氧化氫在漂白CRM的過程中主要脫除木質(zhì)素，對纖維素和半纖維素幾乎沒有影響。影響過氧化氫漂白效果的主要因素為反應(yīng)溫度，過氧化氫濃度和反應(yīng)時(shí)間對漂白效果影響較小。經(jīng)過氧化氫漂白后的蔗渣CRM可通過超聲處理制備透明纖維素膜。

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