吳敏雅 劉明華,2,* 劉以凡,2 呂源財(cái),2
(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福建福州,350116;
2.福建省農(nóng)村廢棄物綠色循環(huán)技術(shù)工程研究中心,福建福州,350116)
木質(zhì)素是自然界第二大生物質(zhì)資源,含量?jī)H低于纖維素,在植物中的占比達(dá)20%~30%,每年全球約產(chǎn)生6×1014t木質(zhì)素[1]。木質(zhì)素是一種三維空間結(jié)構(gòu)的天然高分子芳香族聚合物,它的基本結(jié)構(gòu)是由紫丁香基(S)、愈創(chuàng)木基(G)、對(duì)羥苯基(H)3種結(jié)構(gòu)單元通過碳碳鍵或醚鍵連接組成,其中醚鍵是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中最重要的連接鍵,最常見的鍵型有β-O-5、α-O-4、4-O-5、5-5等[2-5]。同時(shí),木質(zhì)素還含有甲氧基、酚羥基、醇羥基等多種特征官能團(tuán)。木質(zhì)素也是自然界中唯一可再生的芳香類物質(zhì)原料,在一定條件下可降解生成小分子化合物,因此在制備燃料和化學(xué)品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6-7]。然而,由于木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特殊復(fù)雜,木質(zhì)素難以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品,因此,絕大部分木質(zhì)素只能用作廢物或生物質(zhì)煉廠的低級(jí)燃料[8-9]。目前,木質(zhì)素的降解方法種類繁多,其中催化降解法是利用均相或非均相催化劑,有效裂解木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的醚鍵,從而破壞木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu),同時(shí),通過加氫或氫化反應(yīng),使其形成小分子化合物,并保留木質(zhì)素的芳香性質(zhì),該方法可作為制備具有高附加值的可再生化工原料的方法,是當(dāng)下降解木質(zhì)素的有效途徑。
近年來,過渡金屬鹽因在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的反應(yīng)性較強(qiáng)而被廣泛用作初級(jí)催化劑或協(xié)同催化劑[4]。Tri?bulova等[10]發(fā)現(xiàn),利用過渡金屬硫酸鹽水解纖維素可形成單糖等低分子產(chǎn)物,提高纖維素的氧化敏感性。Zakzeski等[11]研究了不同過渡金屬鹽催化劑對(duì)離子液體中木質(zhì)素的氧化降解;結(jié)果表明,過渡金屬離子的活性順序?yàn)镃o2+>Cr3+>Fe2+>Ni2+>Mn2+>Cu2+。Shu等[12]利用金屬氯化鹽與Pd/C協(xié)同降解木質(zhì)素,實(shí)現(xiàn)了高度可控的產(chǎn)物分布。此外,溶劑在催化裂解醚鍵中的重要性也備受關(guān)注[13-16],其中,甲醇具有明顯的溶劑熱效應(yīng)和良好的供氫性能,在溫和條件下可加速氫的釋放。重要的是,它可以穩(wěn)定降解過程中產(chǎn)生的單環(huán)自由基,從而產(chǎn)生更多的單體芳香基團(tuán),降低聚合作用[17-18]。
因此,本研究采用過渡金屬硫酸鹽NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C催化降解玉米芯酶解木質(zhì)素,考察了金屬離子、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、NiSO4·6H2O與Pd/C協(xié)同作用等對(duì)木質(zhì)素降解率的影響,并通過元素分析、凝膠滲透色譜、紅外光譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物進(jìn)行表征,對(duì)比了Pd/C、NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C催化降解玉米芯酶解木質(zhì)素的產(chǎn)物分布,并分析了協(xié)同催化的作用機(jī)理。
玉米芯酶解木質(zhì)素,工業(yè)級(jí),山東龍力生物科技股份有限公司。Pd/C、NiSO4·6H2O等,分析純,阿拉丁生化科技股份有限公司。甲醇、乙酸乙酯、四氫呋喃(THF)等,色譜純,德國(guó)默克集團(tuán)。
稱取1 g的玉米芯酶解木質(zhì)素(CL)于50 mL高溫高壓反應(yīng)釜(聚四氟乙烯涂層)中,加入20 mL的甲醇為反應(yīng)溶劑,添加一定量的催化劑。接著用氮?dú)獯祾吒獌?nèi)3次,加蓋鎖緊反應(yīng)釜,并將反應(yīng)釜置于超聲波儀中超聲分散10 min,然后放置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在反應(yīng)溫度220℃下反應(yīng)5 h。結(jié)束后,待自然冷卻30 min后出料,經(jīng)過洗滌、過濾、分離后得到液體降解產(chǎn)物(LDLP)和固體殘?jiān)↙DSR)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置不使用催化劑的體系為對(duì)照組。
將LDSR用超純水洗滌3次,對(duì)濾液進(jìn)行離子交換處理以回收鎳。然后,用甲醇和THF繼續(xù)洗滌濾餅直至濾液接近無(wú)色,經(jīng)冷凍干燥后回收得到Pd/C。
CL的乙?;幚恚翰捎靡阴d搴捅姿岬幕旌先芤海?∶9,V/V,10 mL)作乙?;噭?,加入1.0 g的CL,在燒瓶中密封,在50℃、150 r/min下反應(yīng)2 h,完成后將溶劑蒸干,所得固體為乙酰化木質(zhì)素。
采用凝膠色譜儀(GPC,Waters2414,美國(guó)Wa?ters公司)對(duì)樣品的相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布進(jìn)行測(cè)定,并用聚苯乙烯(PS)作為標(biāo)樣,以THF為流動(dòng)相。采用元素分析儀(EA,Vario ELcube,德國(guó)Elementar公司)對(duì)化合物組成中的C、H、O等元素的含量進(jìn)行分析表征。采用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR,AVATAR360智能型,美國(guó)尼高力儀器公司)對(duì)樣品的官能團(tuán)和鍵型進(jìn)行分析表征,掃描范圍為400~4000 cm-1,掃描次數(shù)為32次。采用全二維氣相色譜-高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用分析儀(GC-MS,Agi?lent 6890-59731,美國(guó)安捷倫科技有限公司)對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量檢測(cè)。將樣品充分溶解在乙酸乙酯中,以多氯聯(lián)苯為內(nèi)標(biāo)物。氣相色譜檢測(cè)條件:Rxi-5ms(30 m×0.25 mm×0.25μm)毛細(xì)管柱,載氣為He,流速1.4 mL/min;初始柱溫50℃,保持1 min后,以10℃/min的速率升到300℃,保持10 min;進(jìn)樣溫度280℃,進(jìn)樣量1μL,分流比20∶1。
木質(zhì)素降解率(DL)及產(chǎn)物得率(Yn)分別根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算。
式中,m0為木質(zhì)素初始投加質(zhì)量(g),m為L(zhǎng)D?SR的質(zhì)量(g),mn為產(chǎn)物質(zhì)量(g)。
2.1.1 過渡金屬離子的影響
為了研究不同過渡金屬離子對(duì)Pd/C催化降解木質(zhì)素的影響,選擇7種過渡金屬硫酸鹽配合Pd/C作為催化劑,結(jié)果如圖1所示。
在未使用任何催化劑(對(duì)照樣)時(shí),木質(zhì)素的降解率較低(40.6±2.2)%;單獨(dú)使用Pd/C作為催化劑時(shí),木質(zhì)素降解率為(51.5±1.5)%;而在使用不同過渡金屬硫酸鹽協(xié)同Pd/C進(jìn)行催化降解的情況下,木質(zhì)素的降解率顯著提高,說明過渡金屬硫酸鹽可以有效促進(jìn)Pd/C催化降解木質(zhì)素。據(jù)相關(guān)報(bào)道[19-21],路易斯酸催化劑可以催化裂解C—O鍵,從而有效降解木質(zhì)素。因此,對(duì)過渡金屬硫酸鹽在甲醇中于220℃反應(yīng)5 h前后的氫離子濃度進(jìn)行了檢測(cè)(見圖2);結(jié)果表明,過渡金屬硫酸鹽的甲醇溶液在經(jīng)過5 h的處理后釋放出大量的氫離子,進(jìn)一步證實(shí)了路易斯酸催化劑的本質(zhì)特征。此外,由圖1可知,不同過渡金屬硫酸鹽對(duì)Pd/C催化降解木質(zhì)素性能的影響不同。NiSO4·6H2O的效果最優(yōu)(木質(zhì)素降解率為(86.5±3.3)%),然后依次為CuSO4?5H2O、FeSO4?7H2O、ZnSO4?7H2O、Cr2(SO4)3?6H2O、CoSO4?7H2O,MnSO4·H2O的效果最差,說明NiSO4·6H2O與Pd/C的協(xié)同效應(yīng)對(duì)催化降解木質(zhì)素的效果最顯著。且由圖2可知,具有較高氫離子濃度的反應(yīng)體系往往表現(xiàn)出較好的性能。然而,木質(zhì)素降解率與體系氫離子濃度之間并沒有顯著的正相關(guān)關(guān)系,這意味著除了氫離子濃度外,過渡金屬離子可能在促進(jìn)木質(zhì)素的降解中起到關(guān)鍵作用。據(jù)相關(guān)報(bào)道[22],這些體系之間的差異可能是由于在不同金屬離子中心存在的情況下,底物-催化劑相互作用的強(qiáng)度不同造成的。因此,考慮到過渡金屬中鎳元素的電負(fù)性最高,可以推斷在反應(yīng)過程中,通過底物-催化劑的相互作用,NiSO4·6H2O除了酸性中心外,還可以產(chǎn)生更多的配位點(diǎn),提高反應(yīng)活性。
圖1 不同過渡金屬離子對(duì)CL降解率的影響Fig.1 Effectsof different transition metal ionson CL degradation ratio
圖2 過渡金屬硫酸鹽的甲醇溶液的氫離子濃度Fig.2 Hydrogen ion concentration in methanol solution of transition metal sulfates
2.1.2 反應(yīng)溫度的影響
在木質(zhì)素降解過程中,溫度在催化劑的活化和醚鍵的斷裂中扮演著至關(guān)重要的角色[23]。本研究對(duì)反應(yīng)時(shí)間5 h、不同反應(yīng)溫度(180℃~280℃)下的NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C催化降解木質(zhì)素的降解率進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C催化降解木質(zhì)素過程對(duì)溫度的依賴性很強(qiáng)。反應(yīng)溫度低于220℃時(shí),木質(zhì)素降解率隨著溫度的升高 而 顯 著 提高(由(42.0±1.4)%提 高 到(86.5±3.3)%)。當(dāng)反應(yīng)溫度繼續(xù)上升(≥200℃)時(shí),木質(zhì)素降解率基本保持穩(wěn)定。根據(jù)以往的報(bào)道[24],較高的溫度會(huì)導(dǎo)致部分有機(jī)化合物的碳化,甚至催化劑的失活,不利于木質(zhì)素的進(jìn)一步降解。
圖3 反應(yīng)溫度對(duì)CL降解率的影響Fig.3 Effect of reaction timeon CLdegradation ratio
2.1.3 反應(yīng)時(shí)間的影響
在220℃下,研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C催化降解木質(zhì)素的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,隨著反應(yīng)時(shí)間從2 h延長(zhǎng)至5 h,木質(zhì)素的降解率從(43.2±1.4)%提高至(86.5±3.3)%。然而,隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),木質(zhì)素的降解率反而出現(xiàn)小幅下降,說明過長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致催化劑發(fā)生一定程度的失活。
圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)CL降解率的影響Fig.4 Effect of reaction timeon CLdegradation ratio
2.1.4 NiSO4·6H2O與Pd/C協(xié)同作用的影響
對(duì)比了最優(yōu)工藝條件(220℃、5 h)下未使用催化劑、分別單獨(dú)使用NiSO4·6H2O和Pd/C,以及NiSO4·6H2O和Pd/C協(xié)同作用4種情況下的木質(zhì)素降解率,結(jié)果如表1所示。由表1可知,在未使用催化劑和單獨(dú)使用NiSO4·6H2O作催化劑的情況下,木質(zhì)素的降解率分別為(40.6±2.2)%和(43.2±3.0)%,說明單獨(dú)使用NiSO4·6H2O對(duì)于催化降解木質(zhì)素的效果并不理想。與對(duì)照樣相比,單獨(dú)使用Pd/C作催化劑的情況下,木質(zhì)素降解率有了明顯的提高((51.5±1.5)%),這與現(xiàn)有的多數(shù)研究結(jié)果相符[25-27]。而在加入NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C進(jìn)行催化降解時(shí),木質(zhì)素的降解率進(jìn)一步提高至(86.5±3.3)%,這說明NiSO4·6H2O與Pd/C之間存在的協(xié)同作用可高效催化降解木質(zhì)素。
表1 NiSO4·6H 2O與Pd/C協(xié)同作用對(duì)CL降解率的影響Table 1 Effect of NiSO4·6H 2O and Pd/C synergistic effect on CL degradation ratio %
為了探究NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C對(duì)木質(zhì)素降解產(chǎn)物分子質(zhì)量分布的影響,采用GPC對(duì)木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物的分子質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定,得到木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物的質(zhì)均分子質(zhì)量(M w)、數(shù)均分子質(zhì)量(M n)和分散度d(d=M w/M n),結(jié)果如表2所示。由表2可知,木質(zhì)素的M w、M n和d分別為3949、2131和1.91。在未使用催化劑的情況下,木質(zhì)素降解產(chǎn)物的M w、M n和d并沒有顯著降低,說明木質(zhì)素降解率低,且降解產(chǎn)物組分仍以大分子化合物為主,不利于后續(xù)的改性應(yīng)用。單獨(dú)使用Pd/C作催化劑時(shí),降解產(chǎn)物的M w、M n和d分別降至1241、664和1.65,說明Pd/C有效催化裂解了木質(zhì)素的大分子結(jié)構(gòu),降低了降解產(chǎn)物的分子質(zhì)量。加入NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C進(jìn)行催化降解時(shí),降解產(chǎn)物的M w、M n和d進(jìn)一步分別降至537、432和1.06,說明NiSO4·6H2O和Pd/C的協(xié)同作用進(jìn)一步催化裂解了木質(zhì)素的大分子結(jié)構(gòu),并使其轉(zhuǎn)化為更低分子質(zhì)量的寡聚體。另外,分散度d的顯著降低表明了NiSO4·6H2O的加入使降解產(chǎn)物的分子質(zhì)量分布區(qū)間變窄,均一化程度提高了35.8%,更有利于其進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)[28]。
表2 NiSO4·6H 2O與Pd/C協(xié)同作用對(duì)產(chǎn)物均一化的影響Table 2 Effect of NiSO 4·6H 2O and Pd/C synergistic effect on the products uniformity
2.3.1 元素分析
為了進(jìn)一步了解木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的化學(xué)變化,采用元素分析儀對(duì)木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物的元素組分進(jìn)行測(cè)定對(duì)比,結(jié)果如表3所示。
表3 CL和LDLP的元素分析Table 3 EA of CL and LDLP
由表3可知,木質(zhì)素的C、H、O含量分別為60.73%、5.44%、31.27%,且總占比超過97%,說明在木質(zhì)素中并沒有過多的其他元素,如S、N等。在未使用催化劑的情況下,降解產(chǎn)物中的C/H、O/C比值未見明顯變化,說明木質(zhì)素并未發(fā)生明顯的化學(xué)變化。然而,經(jīng)NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C催化降解得到的產(chǎn)物中的C、H含量均明顯增加,而O的含量明顯下降,與此同時(shí),C/H和O/C也有所降低。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[29],木質(zhì)素降解過程中發(fā)生了明顯的加氫反應(yīng),這會(huì)導(dǎo)致C/H比值的降低,羥基脫水或甲氧基氫解會(huì)導(dǎo)致O/C比值的降低。對(duì)比可知,NiSO4·6H2O與Pd/C協(xié)同作用可以促進(jìn)加氫反應(yīng),同時(shí),Pd/C與Pd/C+NiSO4·6H2O降解木質(zhì)素產(chǎn)物組分變化的趨勢(shì)類似,說明NiSO4·6H2O有效加強(qiáng)了Pd/C的催化降解作用。
2.3.2 FT-IR分析
為了進(jìn)一步分析木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物的有機(jī)組分,對(duì)其進(jìn)行FT-IR表征,結(jié)果如圖5所示。
圖5 CL和LDLP的FT-IR譜圖Fig.5 FT-IRspectra of CL and LDLP
由圖5可知,木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物在1595、1513、1450以及833 cm-1處均有吸收峰,這3個(gè)位置的吸收峰代表木質(zhì)素中的苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰,且峰形基本一致,表明木質(zhì)素的苯環(huán)結(jié)構(gòu)在催化降解的過程中得到了保留。2850 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)Ph-OCH3中C—H鍵的伸縮振動(dòng),說明降解產(chǎn)物依然保留有木質(zhì)素的基本單元結(jié)構(gòu),如愈創(chuàng)木基、紫丁香基等,進(jìn)一步說明催化降解主要通過裂解木質(zhì)素單元結(jié)構(gòu)間的連接鍵來實(shí)現(xiàn)破壞木質(zhì)素的大分子結(jié)構(gòu)[30]。在未使用催化劑的情況下,降解產(chǎn)物與木質(zhì)素的峰形基本一致,且并未觀察到顯著的吸收峰變化,說明降解產(chǎn)物的組分類型相較于木質(zhì)素并沒有明顯的變化,進(jìn)一步證實(shí)了在未使用催化劑的情況下并不能有效降解木質(zhì)素。3350和1201 cm-1處的吸收峰分別為締合羥基和酚羥基的伸縮振動(dòng)峰,且由圖4可知,NiSO4·6H2O可以有效協(xié)同Pd/C催化降解木質(zhì)素并定向生成酚類化合物。此外,2950 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)甲基、亞甲基、次甲基的C—H伸縮振動(dòng)峰,說明降解產(chǎn)物的苯環(huán)結(jié)構(gòu)側(cè)鏈上可能直接連接甲基官能團(tuán)或碳碳鍵結(jié)構(gòu)。1615、1700、1110 cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)酯羰基C=O和C—O—C的伸縮振動(dòng)峰。而且,相較于僅添加Pd/C體系,NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C體系在1201 cm-1處的酚羥基O—H伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度遠(yuǎn)高于1110 cm-1處的酯羰基C—O—C伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度,且酚類區(qū)域的吸收峰響應(yīng)強(qiáng)度與酯類吸收峰的響應(yīng)強(qiáng)度的差距增大,說明NiSO4·6H2O的加入不僅可以有效提高酚類化合物的得率,還可以一定程度提高酯類化合物的得率,但酚類化合物的增幅明顯高于酯類化合物。值得注意的是,763 cm-1處的吸收峰代表一取代苯上的C—H彎曲振動(dòng)峰,僅在NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C催化降解木質(zhì)素的體系中觀察到,這表明在NiSO4·6H2O和Pd/C的協(xié)同作用下,Ar—O—R結(jié)構(gòu)中Ar—O鍵經(jīng)催化加氫而形成了Ar—OH,進(jìn)一步證實(shí)了產(chǎn)物中含有大量的單酚類小分子化合物[31]。
圖6 LDLP的GC-MS譜圖Fig.6 GC-MSspectra of LDLP
表4 LDLP的主要成分的GC-MS分析結(jié)果Table 4 GC-MS analysis results of the primary composition of LDLP
2.3.3 GC-MS分析
為進(jìn)一步探究NiSO4·6H2O與Pd/C協(xié)同作用對(duì)降解產(chǎn)物分布的影響,通過GC-MS對(duì)木質(zhì)素降解產(chǎn)物的組分進(jìn)行定性及定量分析,結(jié)果如圖6和表4所示。
由圖6和表4可知,不同降解條件下得到的降解產(chǎn)物的組分和得率差異較大。未使用催化劑的情況下,降解產(chǎn)物中小分子產(chǎn)物的總收率較低且種類較少,主要包括2,3-二氫苯并呋喃、水楊醛肟、香草醛以及酯類化合物等,且并未觀察到酚類化合物的產(chǎn)生。在單獨(dú)使用Pd/C作為催化劑的情況下,降解產(chǎn)物中小分子產(chǎn)物的總收率增至65.4%;同時(shí),產(chǎn)生了酚類化合物,其得率可達(dá)到33.2%,主要包括苯酚、4-乙基苯酚、4-乙基-2-甲氧基苯酚等,說明Pd/C可以有效提高木質(zhì)素降解率,且誘導(dǎo)木質(zhì)素催化加氫生成酚類化合物。在使用NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C進(jìn)行催化降解時(shí),木質(zhì)素小分子的總收率相較于Pd/C體系增加了39.9%,酚類化合物的得率提高了88.6%,且生成了更低分子質(zhì)量的酚類單體,如愈創(chuàng)木酚、對(duì)甲酚、2,6-二甲氧基苯酚等;同時(shí),酯類化合物的得率也有明顯的提高,且向相對(duì)低分子質(zhì)量的酯類轉(zhuǎn)化。說明NiSO4·6H2O和Pd/C的協(xié)同作用可以促進(jìn)木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)的裂解并誘導(dǎo)加氫反應(yīng)以提高酚類化合物的選擇性。因此,NiSO4·6H2O和Pd/C在木質(zhì)素催化降解過程中具有良好協(xié)同作用效果,可實(shí)現(xiàn)對(duì)酚類產(chǎn)物的高度可控性。
采用過渡金屬硫酸鹽NiSO4·6H2O協(xié)同Pd/C在甲醇體系中實(shí)現(xiàn)定向催化降解木質(zhì)素,生成以酚類為主的小分子化合物,并進(jìn)一步提高產(chǎn)物的均一化程度。結(jié)果表明,NiSO4·6H2O的路易斯酸特性和鎳元素的高電負(fù)性,使得木質(zhì)素的醚鍵可有效在Pd/C和NiSO4·6H2O酸性催化中心上發(fā)生降解,并通過加氫反應(yīng),生成以酚類為主體的中間產(chǎn)物。這種低成本、低能耗的木質(zhì)素降解工藝將為木質(zhì)素降解產(chǎn)物的可持續(xù)利用提供有益的參考。