雜多酸類離子液體催化浮萍水解制備還原糖

張霞飛，蔡鎮平，馬浩，王芙蓉，于英豪，李雪輝

（華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

引言

生物質是唯一一種可再生碳源，且具有儲量大、含硫量低以及CO2零排放等諸多優點[1]，因此生物質的開發利用成為相關研究的熱點。生物質的主要組分包括纖維素、半纖維素及木質素。利用化學催化或生物催化等方法，可以將生物質轉化為生物燃料或平臺化合物[2-3]。如纖維素可以轉化為葡萄糖，半纖維素可以轉化為木糖、甘露糖、半乳糖等還原糖[4]；這些糖類是非常重要的化學原料，既可將其進一步轉化而獲得諸如乙醇等能源替代品[5]，也可將其轉化為5-羥甲基糠醛、糠醛、乙酰丙酸等化合物[6]。催化生物質水解，是制備還原糖的重要途徑[7]。近年來，由于大量未經處理的工業廢水直接排放，導致水體中氮、磷等元素含量過高，水體的富營養化致使浮萍、藻類等水生植物大量繁殖，生長速度迅猛。浮萍及藻類中含有大量可轉化為還原糖的淀粉、纖維素等成分，是來源易得的生物質原料，因此，發展浮萍水解技術，可獲得還原糖或乙醇等化學品，從而實現在環境治理的同時，又可獲取燃料的雙重目的。

目前，生物質水解所用催化劑可分為均相催化劑和多相催化劑。均相催化劑如鹽酸、硫酸等傳統酸可與底物充分接觸，水解效率較高，如Canettieri等[8]采用稀硫酸催化水解桉木片時發現：在酸濃度為0.65%，反應溫度為424 K時，水解效果最好，木糖收率可達79%；Herrera等[9]利用稀鹽酸水解高粱稈，研究發現，在固液比為1：10 (質量)、鹽酸濃度為6%、395 K下、水解時間70 min后，木聚糖的最高產率可達70%以上。但是，傳統無機酸存在反應混合物與催化劑分離困難、催化劑難以回收及催化劑對設備腐蝕等系列問題。近年來，多相催化劑由于能解決上述問題，得到了國內外研究的廣泛關注，但多相催化劑與底物接觸不充分，水解效率較低。如Onda等[10]利用磺化的活性炭為催化劑，研究了不同反應條件對纖維素水解為葡萄糖的影響，結果表明，當催化劑用量為50 mg，反應溫度423 K，反應時間24 h時，葡萄糖收率為41.4%；Shimizu等[11]用雜多酸催化水解纖維素和纖維二糖，比較了H3PW12O40、H4SiW12O40和H3/nPM12O40(M=Sn4+, Ru3+, Ca2+, Fe3+等)的催化效果，研究發現，較溫和的Lewis體系（Sn4+和Ru3+）有利于提高產物中還原糖的選擇性。雜多酸具有酸度可調性及良好的熱穩定性等優點[12]，廣泛應用于生物質水解反應中，但純雜多酸因具有很強的水溶性，難以與溶劑分離。近年來，離子液體由于其良好的生物質溶解能力以及兼具催化劑和溶劑的雙重功能等優點，成為生物質高效綜合利用過程中的研究熱點。如Ananda等[13]用1-丙基磺酸-3-甲基咪唑氯鹽和1-丁基磺酸-3-甲基咪唑氯鹽為溶劑和催化劑，在70℃下反應 30 min催化水解纖維素，總還原糖收率可達62%，其中葡萄糖收率為14%，但是所用的常規離子液體難以與產物分離，不利于再次循環利用。本課題組構建的復合離子液體體系以及利用系列酸性離子液體可實現生物質的高效轉化[14-16]。

在前期探索的基礎上，本文合成了一系列磷鎢酸類離子液體，并研究了其催化浮萍制備還原糖的性能。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑和儀器

試劑：N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、N-丁基咪唑、N-己基咪唑，磷鎢酸。所有試劑均為分析純，使用前未經任何純化。

新鮮浮萍經洗凈、晾干后在 100℃下干燥至恒重并粉碎至0.2～0.4 mm備用，經美國可再生能源實驗室(NREL)方法測定浮萍中碳水化合物含量為61.7%。

儀器：Aiglent-1200型液相色譜（美國Agilent公司）、U-3010型紫外可見分光光度計（日本日立公司）、Equinox-55型紅外光譜儀（德國Bruker）、Vario EL型CHN元素分析儀（德國Elementar）。

1.2 離子液體的合成與表征

參照文獻[17]提供的方法，合成了系列咪唑基雜多酸功能化離子液體[圖 1(a)～(d)]、N-甲基咪唑氯鹽[HmimCl，圖 1(e)]及N-甲基咪唑磺酸鹽[HmimHSO4，圖1(f)]等離子液體，系列離子液體結構如圖1所示。

圖1 系列離子液體的結構式Fig.1 Structure of ionic liquids

磷鎢酸離子液體的制備：以N-甲基咪唑磷鎢酸鹽離子液體[HmimH2PW12O40, 圖1(a)]的制備過程為例。稱取一定量的磷鎢酸于平底燒瓶中，加少量水使之溶解，邊攪拌邊滴加等物質的量的N-甲基咪唑，常溫反應24 h。反應后產物用水洗滌3次，離心并在323 K下真空干燥24 h，即得N-甲基咪唑磷鎢酸鹽 HmimH2PW12O40。用同樣方法分別制備N-乙基咪唑磷鎢酸鹽[HeimH2PW12O40，圖 1(b)]、N-丁基咪唑磷鎢酸鹽[HbimH2PW12O40，圖 1(c)]、N-己基咪唑磷鎢酸鹽[HhimH2PW12O40，圖1(d)]。

N-甲基咪唑氯鹽[HmimCl，圖1(e)]和N-甲基咪唑磺酸鹽[HmimHSO4，圖1(f)]參照文獻[17]制備。

上述離子液體經核磁共振表征對其結構進行確認，元素分析表明其純度均大于99.5%。

1.3 浮萍的水解

稱取1 g浮萍加入50 ml水熱反應釜中，然后加入一定量的離子液體催化劑，反應溶劑為去離子水。將該反應釜置于油浴鍋中加熱攪拌，一定溫度下反應若干小時。反應結束后，將水熱反應釜取出并用連續自來水冷卻至室溫，反應液離心，得到水解液及固體殘渣。向固體殘渣中加入丙酮，使離子液體溶解后再次進行離心操作，得到富含離子液體的丙酮相和固體不溶物。將固體不溶物烘干稱重，計算反應總轉化率；丙酮相經旋蒸之后回收離子液體催化劑，干燥后循環利用。

式中，WR為殘渣的質量，g;WD為原料浮萍的質量，g。

1.4 產物的分析方法

1.4.1 水解液中總還原糖收率的計算 本文用 3,5-二硝基水楊酸（DNS）顯色法測定總還原糖的量。用2 mol·L-1NaOH溶液調節水解液的pH至中性，定容至100 ml容量瓶中。取0.5 ml該水解液加入0.5 ml DNS試劑，在100℃下加熱5 min使之顯色，快速冷卻后補加水至總體積為5 ml，用紫外-可見分光光度計測定540 nm處的吸光度，再在標準曲線上查得其對應的還原糖含量，計算總還原糖收率。

式中，YTRS為總還原糖收率，%；WTRS為總還原糖的質量，g；CC為浮萍中碳水化合物含量。

1.4.2 水解液中單糖收率的計算 用 Agilent-1200型液相色譜儀對水解液中單糖含量進行定性及定量分析，色譜條件為：HPX-87H糖柱（4.8 mm×250 mm），差示折光檢測器；流動相：5 mmol·L-1H2SO4溶液；流量0.6 ml·min-1；柱溫：60℃；進樣量：20 μl。用標準品對照對葡萄糖和木糖進行定量。

葡萄糖和木糖的收率計算公式為

式中，YG為葡萄糖收率，%；YX為木糖收率，%；WG為水解液中所含葡萄糖質量，g；WX為水解液中所含木糖質量，g。

1.4.3 浮萍與殘渣的結構表征 采用Vario EL型元素分析儀對浮萍和殘渣的元素組成進行測定；采用KBr壓片法進行傅里葉紅外光譜分析，測量范圍為4000～400 cm-1。采用NETZSCH STA449C熱分析儀進行熱重分析，升溫程序為：初始溫度303 K，終止溫度973 K，升溫速率10 K·min-1。吹掃氣：N2。

2 實驗結果與討論

2.1 離子液體種類對水解反應的影響

首先考察了不同陰陽離子組成的離子液體作為催化劑對浮萍水解得到的總轉化率、還原糖產率及催化劑回收率的影響。采用的水解條件為：水解反應溫度 140℃，反應時間 3 h，催化劑用量 0.4 mmol，溶劑20 ml，結果如表1所示。

由表1可知，所有離子液體均能高效催化浮萍低溫水解，在140℃，反應3 h的條件下，浮萍轉化率在40%以上，且總還原糖收率大于33.5%。尤其是經離子液體HmimH2PW12O40催化后，62.3%的浮萍可被催化液化并生成79.8%還原糖。表1結果還表明：離子液體的陰陽離子液體結構對其催化活性影響顯著。如對于雜多酸陰離子功能化離子液體來說，咪唑陽離子的側鏈長度越長，離子液體的催化活性越低。如表1所示，經HeimH2PW12O40催化后，56.2%的浮萍可被液化，但當側鏈長度增加到C6之后（HhimH2PW12O40），浮萍轉化率急劇下降至41.5%。其原因主要為：① 離子液體的咪唑陽離子側鏈越長，其酸性越弱[18]，而水解反應是一個典型酸催化過程，受離子液體酸強度影響顯著，酸性越弱，催化活性越低[19]；② 離子液體的咪唑陽離子側鏈越長，其疏水性越強[18]，因此，減弱了浮萍等生物質與水之間的相互作用，從而影響其水解效率。

表1 不同離子液體的催化性能Table 1 Catalytic performance of ionic liquids

此外，對比了不同陰離子的功能化離子液體催化浮萍解聚的性能。研究結果表明：功能化離子液體的陰離子同樣對其催化活性有顯著的影響。在所考察的3種離子液體中，HmimHSO4與HmimCl離子液體的催化活性高于雜多酸離子液體HmimH2PW12O40。然而，前兩種離子液體具有很強的親水性，因此，其能與水解液混溶，從而導致離子液體回收困難，且產物純化步驟煩瑣。具Keggin結構的離子液體不溶于水，在此過程中主要以固體形式存在，易于與產物分離。從而可通過簡單的處理進行回收與循環使用（如本文所研究的雜多酸離子液體均可實現90.1%以上的回收與重復使用）。因此可以認為雜多酸離子液體較其他離子液體具有顯著的優越性。

2.2 催化劑用量的影響

基于以上篩選結果，選用 HmimH2PW12O40雜多酸離子液體作為催化劑，并考察了其不同用量（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mmol）對浮萍水解總轉化率和還原糖收率的影響，反應條件：0.5 g 浮萍，20 ml H2O，反應溫度為140℃，反應時間3 h。結果如圖2所示。

圖2 HmimH2PW12O40用量的影響Fig.2 Effect of catalyst volume on hydrolysis of duckweed into reducing sugar

由圖可知，反應總轉化率隨著催化劑用量的增大而逐漸增大，催化劑用量為0.5 mmol時，總轉化率可達 62.6%；而總還原糖收率在催化劑用量 0.4 mmol時達到最大值 79.8%，其中葡萄糖收率為55.1%，木糖收率為10.1%。繼續增大催化劑用量，總還原糖收率反而減小，催化劑用量為 0.5 mmol時，總糖收率減小為 76.9%，其中葡萄糖和木糖收率分別減小至50.1%和9.4%，這說明過多的催化劑會使產物中的還原糖發生進一步反應，HPLC檢測水解液，發現產物中出現了糠醛、5-HMF等副產物，進一步證實了浮萍被過度水解。因此本文的最優催化劑用量為0.4 mmol。

2.3 反應溫度與反應時間的影響

本文繼續考察反應溫度對浮萍水解的影響，分別設定反應溫度為 110、120、130、140、150℃，結果如圖3所示。由圖可知，反應溫度對總轉化率和還原糖收率均有很大的影響。如 110℃時浮萍總轉化率僅有45%，還原糖收率18.6%；升高反應溫度，浮萍轉化率和還原糖收率迅速增加，當反應溫度為 140℃時，總轉化率可達 62.1%，還原糖收率達到最大值 79.8%，其中葡萄糖收率為 55.1%，木糖收率為 10.1%。但由于糖類化合物的進一步分解與重聚[20]，溫度超過 140℃時，還原糖收率及葡萄糖收率均顯著降低。

反應時間對浮萍的水解同樣影響顯著。如圖 4所示，反應1 h時，浮萍水解程度很低，總還原糖收率為 46.1%，其中葡萄糖和木糖收率僅為 12.8%和2.7%；隨著反應時間的延長，浮萍水解更加徹底，其轉化率與糖收率均顯著增大，并在3 h時總糖收率達到最大值 79.8%。但繼續增長反應時間，總糖收率反而下降，這說明反應時間過長還原糖進一步轉化為其他副產物。

圖3 反應溫度的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on hydrolysis of duckweed into reducing sugar

圖4 反應時間的影響Fig. 4 Effect of reaction time on hydrolysis of duckweed into reducing sugar

2.4 催化劑的重復使用性

與傳統酸性離子液體相比，本催化體系的離子液體具有容易回收的優點，本催化體系中HmimH2PW12O40酸性功能化離子液體的重復使用性如圖5所示。研究結果表明：該離子液體具有較好的重復使用性，經5次循環之后，浮萍的總轉化率無顯著變化，總糖收率略有下降（從 74.9%到70.1%）。ICP檢測未發現反應后溶液中存在金屬元素，IC檢測結果表明雜多酸離子液體的陰陽離子濃度無顯著減低。因此可以認為該離子液體催化劑具有良好的重復使用性。

圖5 催化劑的重復使用性Fig. 5 Run of catalyst

2.5 浮萍和反應殘渣的結構表征

采用FT-IR、TG與元素分析等手段對浮萍在水解過程中的主要結構演變過程進行了詳細的分析。如圖6所示，浮萍原料中主要成分（纖維素、半纖維素、木質素）的紅外特征吸收峰很明顯。參考相關文獻[21-22]可得，3300～3350 cm-1處的吸收峰是羥基峰，2934 cm-1處的峰是甲基的對稱伸縮振動峰，1742 cm-1處是半纖維素中羰基伸縮振動峰，1318 cm-1處是醇羥基的面內振動峰，1081 cm-1處可能是醇羥基、醚基或酯基中C—O彎曲振動峰。但經離子液體催化水解后，浮萍水解殘渣中纖維素和半纖維素的特征吸收峰明顯減弱，木質素的特征吸收峰顯著增強。研究結果表明浮萍中纖維素和半纖維素由于發生水解反應形成了糖類化合物，而芳香族的木質素的結構更為致密，化學結構更穩定，在此條件下，其水解程度很低，因此主要以水解殘渣的形式存在。上述FT-IR結果與前期有關離子液體催化蔗渣液化[19]及復合離子液體催化典型農業廢棄物液化[15]的結果完全一致。

圖6 浮萍原料及水解殘渣的FT-IRFig. 6 FT-IR spectrum of duckweed and residue

該研究結果也可通過對浮萍原料及水解殘渣的元素分析結果（表2）進一步證實。表2所示結果表明，經雜多酸離子液體催化后，由于淀粉、纖維素和半纖維素等低碳含量組分被水解，而富碳的木質素以殘渣形式殘留。故浮萍中的碳元素含量與熱值有明顯增加，而氫元素、氧元素含量減小。

表2 浮萍和殘渣的元素分析Table 2 Element analysis of duckweed and residue

浮萍和水解殘渣的熱重如圖7所示。由圖可知，浮萍的分解溫度在260～420℃之間，難分解的殘余物質量為原料質量的20%左右，繼續升高溫度，殘余物質量幾乎不再減少。而經雜多酸離子液體催化水解后，水解殘渣的起始分解溫度略有升高，不揮發性固體殘余質量顯著增多。如即便浮萍殘渣經700℃熱分解后仍有59.8%的殘余物。這是因為浮萍中淀粉、纖維素以及半纖維素等分解溫度較低的物質已經被水解，從而使木質素等難分解物質所占比例增大。上述研究結果進一步印證了FT-IR（圖6）與元素分析（表 2）的結果，也與前期有關生物質液化的研究結果吻合[16]。

圖7 浮萍和殘渣的熱重分析Fig.7 TG analysis of duckweed and residue

3 結 論

（1）具 Keggin結構的雜多酸離子液體可用作南方典型能源作物浮萍的低溫高效水解催化劑，且其催化活性與陰陽離子的結構息息相關。咪唑陽離子側鏈越短，催化活性越高。且與傳統的酸性功能化離子液體相比，雜多酸離子液體不溶于水，通過簡單的分離可實現回收利用。

（2）在優化的反應條件下：反應溫度為140℃，反應時間為3 h，催化劑HmimH2PW12O40用量0.4 mmol的條件下，浮萍水解總還原糖收率最高，達79.8%。其中，葡萄糖和木糖收率分別為 339.8 mg·g-1和 62.2 mg·g-1。

（3）通過對離子液體的反復使用和回收，發現催化體系中離子液體具有良好的分離性和重復使用性，相比傳統催化劑優勢明顯。

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