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《武汉工程大学》 2017年
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离子液体中酸催化半纤维素降解过程研究

黄王祥  
【摘要】:木质纤维原料是世界上最为丰富的可再生资源,离子液体中酸催化水解木质纤维原料制备可发酵糖为其高效利用提供了一种有效的技术手段。目前,离子液体中酸催化水解木质纤维原料制备可发酵糖的研究主要集中在木质纤维原料中纤维素组分的降解过程,而对木质纤维原料中半纤维素组分的降解过程研究甚少。本论文将对离子液体中酸催化木聚糖(半纤维素)制备可发酵糖的过程以及木聚糖降解产物木糖在离子液体中酸催化降解过程进行研究,并与离子液体中酸催化纤维素降解过程进行比较,为木质纤维原料的高效利用提供技术支持。首先对不同反应条件下离子液体中酸催化木糖降解过程进行研究,结果显示在反应时间相等情况下,离子液体中酸催化木糖降解过程中木糖的转化率与木糖的初始浓度无关,而木糖的降解速率以及糠醛的生成速率随着反应温度的升高而增大。在木糖初始浓度为10 mg/mL、水的加入量为0.01 mL/mg、0.3%H_2SO_4(总的质量分数)的情况下,温度低于100℃,木糖的降解十分缓慢,几乎没有糠醛的生成,而在温度为170℃时,木糖浓度降到最低的时间为20 min,此时糠醛最大收率为63.3%。在酸加入量不同时,木糖的降解速率以及糠醛的生成速率都随着酸的加入量增加而增大,当酸加入量达到0.5%时,继续增加酸的加入量对木糖的降解速率以及糠醛的生成速率影响不大。水的加入会抑制木糖的降解,随着水加入量的增加糠醛生成速率降低。通过动力学分析得到离子液体中酸催化木糖降解反应的活化能为84.18 kJ/mol。然后对不同反应条件下离子液体中酸催化木聚糖降解过程进行研究,得到不同反应条件下降解产物木糖以及糠醛生成的过程曲线。结果显示在相同的反应时间内,木糖和糠醛的收率与木聚糖初始浓度无关。在木聚糖初始浓度为10mg/mL、水的加入量为0.01 mL/mg、0.3%H_2SO_4(总的质量分数)的情况下,木聚糖的降解速率随着温度的升高而增大,在温度低于100℃时,木聚糖的降解过程缓慢且几乎没有糠醛生成,对提高木糖收率有利但反应时间较长,而在温度超过140℃时,木聚糖降解过程十分迅速,木糖浓度在15 min内达到最大,此时木糖降解同样迅速,因而木糖最大收率降低,综合考虑反应温度在120℃时,离子液体中酸催化木聚糖的降解过程中木糖的收率高且反应时间较短。离子液体中木聚糖的降解速率随酸加入量的增加而增大,当酸的加入量达到0.7%时,木糖达到最大浓度的时间为30 min,而在酸的加入量为0.3%时,木糖浓度达最大的时间为60 min,基于成本以及木糖收率的因素考虑,0.3%的酸的加入量较优。水的加入有利于木聚糖的降解过程,并且能够抑制糠醛的生成,少量水分的加入对木糖的生成影响不大,适当加入一定量水有利于提高木糖的收率。最后在木聚糖降解过程相同条件下进行了纤维素的降解过程研究,得到纤维素降解产物葡萄糖以及5-羟甲基糠醛生成的过程曲线。结果显示木聚糖的降解过程与纤维素的降解过程动力学特征相类似,相同反应时间时初始浓度对二者降解过程中主要产物的收率都没有影响,降解速率都是随反应温度以及酸加入量的增大而增大,但是在低温度段,温度对木聚糖降解过程的影响要大于对纤维素降解过程。
【学位授予单位】:武汉工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O636.11

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