葛根渣中纖維素的分離研究

2022-03-15 08:55:08彭大釗周賢武

林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè) 2022年1期

彭大釗, 郭婕, 賀健, 周賢武, 宋科

(吉首大學(xué) 林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南張家界 427000)

纖維素是地球上含量最豐富的生物大分子，由于具有可降解性、可再生性、易于改性等優(yōu)異的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于能源及隔熱阻燃材料、環(huán)保材料、食品材料等領(lǐng)域[1-3]。利用纖維素合成高值化材料以補(bǔ)充或逐步替代不可再生的化石基合成材料已成目前重要的發(fā)展趨勢(shì)。葛根是重要的藥食同源植物，常被用來(lái)提取淀粉，葛根渣是葛根提取淀粉后的剩余廢棄物，主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠和淀粉等成分組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)葛根種植面積已達(dá)1.33億平方米，每年產(chǎn)生約100萬(wàn)噸的葛根粉及近1 000 萬(wàn)噸的葛根渣[4]，但絕大部分被直接焚燒或用作農(nóng)業(yè)肥料，不僅造成資源的浪費(fèi)，而且易造成環(huán)境污染。經(jīng)測(cè)定葛根渣含有豐富的纖維素，是極具潛力纖維素候補(bǔ)資源。目前，關(guān)于葛根渣纖維素的分離已有很多文獻(xiàn)報(bào)道。Wang等[4]以次氯酸鈉和氫氧化鈉為處理試劑分離葛根渣中的纖維素，并通過(guò)表征討論處理試劑對(duì)葛根渣中非纖維素成分的去除效果。結(jié)果表明，葛根渣中的非纖維成分被有效去除。但是，次氯酸鈉處理后的產(chǎn)物白度低，其次酸性條件下次氯酸鈉溶液不穩(wěn)定且會(huì)產(chǎn)生大量有害的氣體和廢水。因此，尋找綠色、高效的方法分離葛根渣中的纖維素十分必要。亞氯酸鈉是一種優(yōu)良的漂白劑，它具有去雜效果好、處理后的產(chǎn)物白度高，對(duì)纖維素?fù)p傷小、不產(chǎn)生有毒的氣體等優(yōu)點(diǎn)，常用于棉、亞麻類的漂白[5]。因此可替代次氯酸鈉，用于葛根渣中的纖維素分離。本研究依次采用亞氯酸鈉和氫氧化鈉處理葛根渣分離纖維素，通過(guò)范氏(van Soest)法測(cè)定葛根渣、亞氯酸鈉處理后的葛根渣和葛根渣纖維素(氫氧化鈉進(jìn)一步處理后的產(chǎn)物)中木質(zhì)素、半纖維素及纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探索分離纖維素的最優(yōu)工藝條件，對(duì)其形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性進(jìn)行表征，以期開(kāi)發(fā)出一種高效、便捷的葛根渣中纖維素分離的方法，為葛根渣的利用提供技術(shù)支持，同時(shí)為葛根渣纖維素在復(fù)合材料、納米纖維素、能源等方面的應(yīng)用提供前期工作基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和儀器

葛根(PuerariaedulisPampan.)渣，收集自湖南張家界市九天生物科技有限公司。用清水將葛根渣清洗直至泥沙和雜質(zhì)全部去除，然后置于105 ℃烘箱干燥24 h，用植物粉碎機(jī)粉碎，過(guò)0.425 mm篩網(wǎng)，備用。NaClO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%)、NaOH(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96%)、C10H14N2O8Na2·2H2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)、Na2B4O7·10H2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%)、十二烷基硫酸鈉(C12H25NaO4S)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥88.0%)、乙二醇乙醚(C4H10O2)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.0%)、Na2HPO4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.0%)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%)、辛醇(C8H18O，質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%)、HCl(體積分?jǐn)?shù)36%～38%)、H2SO4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%～98%)、丙酮(C3H6O，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%)，均為市售分析純。

QUANTA FEG 450掃描電鏡(SEM)，美國(guó)FEI公司；Burker D8 X射線粉末衍射(XRD)儀，德國(guó)布魯克公司；Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀，美國(guó)Thermo Scientist公司；DTG 60熱重(TG)分析儀，日本島津公司。

1.2 葛根渣纖維素分離工藝優(yōu)化

1.2.1NaClO2處理葛根渣以NaClO2作為處理葛根渣的試劑，對(duì)NaClO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%、 2%、 3%、 4%和5%)，反應(yīng)溫度(60、 80、 100、 120和140 ℃)，反應(yīng)時(shí)間(40、 80、 120、 160和200 min)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。取5 g葛根渣與250 mL NaClO2溶液(pH值3～4, HCl調(diào)節(jié))混合，在有冷凝回流裝置的油浴鍋中反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫、經(jīng)砂芯漏斗過(guò)濾，并用去離子水清洗濾渣至濾液呈中性，濾餅105 ℃下烘干，即得NaClO2處理葛根渣，干燥皿中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2NaOH處理NaClO2處理后的葛根渣以NaOH作為處理NaClO2處理后的葛根渣的試劑，對(duì)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%、 5%、 10%、 15%和20%)，反應(yīng)溫度(40、 60、 80、 100和120 ℃)，反應(yīng)時(shí)間(20、 70、 120、 170和220 min)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。取5 g NaClO2處理后的葛根渣與250 mL NaOH混合，在有冷凝回流裝置的油浴鍋中反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫、經(jīng)砂芯漏斗過(guò)濾，并用去離子水清洗濾渣至濾液呈中性，濾餅105 ℃下烘干，即得葛根渣纖維素，干燥皿中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 表征分析

1.3.1化學(xué)成分的測(cè)定采用范氏(van Soest)法[6]測(cè)定葛根渣、NaClO2處理的葛根渣、葛根渣纖維素中的酸洗滌木質(zhì)素(ADL)、半纖維素(HF)、纖維素(F)及中性洗滌溶解物(NDS)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.2SEM分析使用掃描電鏡觀察葛根渣、NaClO2處理后的葛根渣、葛根渣纖維素的形貌。取少量樣品于導(dǎo)電膠上，在電壓為20 kV條件下，進(jìn)行噴金抽真空測(cè)試。

1.3.3XRD分析使用X射線粉末衍射儀研究葛根渣、NaClO2處理后的葛根渣、葛根渣纖維素的晶體結(jié)構(gòu)。測(cè)試范圍5～90°，電壓40 kV，電流40 MA，靶材為Cu靶。

1.3.4FT-IR分析使用紅外光譜檢測(cè)葛根渣、NaClO2處理后的葛根渣、葛根渣纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。取適量樣品于KBr上擠壓成薄片，在波長(zhǎng)范圍為4000～650 cm-1，分辨率為4 cm-1條件下測(cè)量。

1.3.5熱穩(wěn)定性分析使用TG分析儀測(cè)試葛根渣、NaClO2處理后的葛根渣、葛根渣纖維素的熱穩(wěn)定性。氮?dú)庾鳛檫\(yùn)載氣體，流速50 mL/min，測(cè)試范圍50～700 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料成分分析

采用范氏法測(cè)量葛根渣中化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)試結(jié)果得出葛根渣中化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：纖維素59%、半纖維素17%、木質(zhì)素8%、灰分1%、其它(淀粉、果膠、蛋白質(zhì)等)15%。與其它常見(jiàn)的農(nóng)林廢棄物中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(稻殼35%[7]、秸稈32%[8]、玉米棒43%[9])相比，葛根渣中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更豐富。

2.2 反應(yīng)條件對(duì)NaClO2處理葛根渣化學(xué)成分的影響

2.2.1NaClO2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 在反應(yīng)溫度100 ℃、反應(yīng)時(shí)間120 min的條件下，考察NaClO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)葛根渣中非纖維素成分的去除效果，結(jié)果見(jiàn)圖1。