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《广东工业大学》 2018年
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表面活性剂强化超声波—离子液体预处理木质纤维素技术研究

韩业钜  
【摘要】:随着经济和社会的发展,石化能源如煤、石油等被广泛开采利用,大量的温室气体排放到大气中,导致全球变暖,引起了海平面的上升。而中国在经济迅速发展的同时,作为一个化石能源消耗大国,其碳排放量位居全世界第一。中国作为一个农业大国,其秸秆废物量非常大。发展生物燃料不仅符合我国国家政策需求,并且对我国能源安全的维护具有重要意义。以第二代生物乙醇为代表,其主要由废弃的木质纤维素物质作为原料,此原料来源广、储备量大、价格低廉,应用于能源化具有巨大潜力。天然纤维素的致密稳定结构阻隔酶、微生物与碳水化合物的接触,导致酶的利用效率较低。因此,有效的预处理方法能够破坏木质纤维素的外层致密保护屏障、破坏结晶结构,进而提高酶解效率。本文首先研究了超声波-离子液体(US-ILs)预处理条件对水葫芦酶解的影响,考察了初始温度、处理时间、脉冲比和功率对水葫芦酶解的影响。在最佳预处理条件下,通过添加十二烷基硫酸钠(SDS)强化US-ILs预处理水葫芦,探讨不同SDS添加量对预处理后水葫芦酶解产糖的影响。结合成分分析、扫描电镜分析(SEM)、红外光谱分析(FTIR)、X-射线衍射分析(XRD)以及原子力显微镜(AFM)证实SDS对US-ILs预处理水葫芦的促进作用,同时深入探讨表面活性剂在US-ILs强化过程中的作用机理。以水葫芦为木质纤维素原料,以1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BMIMCl)为离子液体,通过单因素实验优化US-ILs预处理工艺,最佳条件为:固体负载率为5%(w/w),初始温度120°C,脉冲比15 s/15 s,输入功率100 W,预处理时间为45 min;在US/ILs处理体系中添加0~2.0%(w/w)的SDS对水葫芦预处理能够提高处理效率,48 h酶解产糖量、纤维转化率、木质素脱除率分别提高了72.24%、58.79%和21.01%。添加了SDS后水葫芦的CrI%、TCl和LOI指数分别下降了6.54%、15.27%和11.27%,SDS的加入能对预处理水葫芦的结晶区域进一步破坏。对比有无添加SDS的US/ILs预处理,添加SDS后预处理水葫芦表面结构更加细碎,大部分疏水性的木质素被破坏除去。其次,本文应用不同类型和不同聚合度的表面活性剂于强化US-ILs预处理水稻秸秆,探讨其酶解效果和成分变化情况,通过FTIR进行官能团和结晶度变化分析,对比不同表面活性剂作用效果不同的原因,为表面活性剂强化US-ILs预处理木质纤维素提供更多的实验数据,证实技术的可行性。以水稻秸秆为木质纤维素原料,以氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑(AMIMCl)为离子液体,在固体负载率为5%(w/w),初始温度120°C,脉冲比15 s/15 s,输入功率100W,预处理时间为45 min条件下,添加不同类型表面活性剂包括SDS,吐温20、鼠李糖脂和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),和添加不同聚合度表面活性剂(吐温20-80)系列强化US-ILs预处理水稻秸秆。通过酶解产糖分析、成分分析以及FTIR分析得知,木质素脱除率分别提高了45.02%和45.20%,而纤维素转化率则分别提高了35.93%和31.35%。TCI值下降了38.82%和7.90%,LOI下降了19.71%和18.79%。最后,本文还对SDS强化US-ILs预处理水稻秸秆后的离子液体进行重复利用研究,经过连续5次SDS强化US-ILs预处理,每次预处理后离子液体回收率维持95%以上,而第5次预处理后离子液体总回收率在79.6%。第5次预处理的水稻秸秆相比第一次酶解产糖量、纤维转化率、木质素去除率分别由分别下降了15.52%、13.15%和24.19%。TCI和LOI值分别增加了15.34%和12.42%,随着预处理次数增加,预处理效果在逐渐减低,在第5次的时候开始大幅下降。本研究结果可以为表面活性剂强化USILs预处理提供一定的理论和实践参考,提高酶解效果。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X712

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