超臨界CO2處理玉米秸稈殘留木質(zhì)素形態(tài)及脫除研究

張敏華，呂惠生，呂春柳，任苗苗

（天津大學(xué)石油化工技術(shù)開發(fā)中心，天津 300072）

纖維素乙醇技術(shù)作為一種清潔能源技術(shù)，可以用來(lái)替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技術(shù)，緩解糧食危機(jī)[1]。其中利用可再生木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇，已經(jīng)成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。木質(zhì)素是—種天然高分子聚合物，在自然界中的數(shù)量?jī)H次于纖維素，是重要的可再生資源之一[2]。目前利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的研究非常多，但多數(shù)研究只強(qiáng)調(diào)對(duì)纖維素組分的轉(zhuǎn)化利用，而對(duì)木質(zhì)素資源化利用的相關(guān)研究較少。在纖維素乙醇生產(chǎn)過程中，需要從木質(zhì)纖維素中除去木質(zhì)素，使酸或酶可以較容易水解纖維素，再通過發(fā)酵將纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇[3-4]。超臨界流體預(yù)處理（Supercritical fluid pretreatment）作為一種新興的綠色化學(xué)工藝，主要應(yīng)用于木質(zhì)素的去除預(yù)處理，與傳統(tǒng)工藝相比較[5]，具有避免有害溶劑的使用、降低環(huán)境的污染、便于產(chǎn)物分離等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的廣泛關(guān)注[6-8]。雖然SCF預(yù)處理能夠有效脫除玉米秸稈中的大部分木質(zhì)素，但仍有少量木質(zhì)素不能被脫除，殘留在纖維素表面，從而降低纖維素酶解工藝的經(jīng)濟(jì)性[9-11]。因此本試驗(yàn)以SCF預(yù)處理玉米秸稈過程難以脫除的殘留木質(zhì)素為對(duì)象，通過對(duì)處理后的秸稈表面形貌的觀察及表征研究，分析殘留木質(zhì)素的存在形式，殘留木質(zhì)素脫除困難的原因。并在這基礎(chǔ)上，比較不同洗脫方法對(duì)殘留木質(zhì)素的影響，確定最佳的洗脫方法，進(jìn)一步脫除殘留木質(zhì)素，從而提高后續(xù)的酶解效率。

1　材料與方法

1.1　材料、試劑及儀器

材料：玉米秸稈原料由中糧（肇東）公司提供。

玉米秸稈原料主要成分分析：纖維素37.3%，半纖維20.6%及木質(zhì)素17.5%。將玉米秸稈原料通過風(fēng)干、粉碎處理，篩選出粒度為0.25～0.42 mm的實(shí)驗(yàn)原料，放置于干燥器中儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

試劑：純度為99.9%的CO2，無(wú)水乙醇，二氧六環(huán)，濃鹽酸，實(shí)驗(yàn)試劑均為分析純規(guī)格，生產(chǎn)單位為天津江天化工公司。

儀器：MParr 4843型高壓反應(yīng)器（美國(guó)Parr公司）；粉碎機(jī)（FW177，天津泰斯特公司）。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1　預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

超臨界CO2/乙醇-水處理玉米秸稈原料的實(shí)驗(yàn)裝置及過程參見圖1。實(shí)驗(yàn)方法：分別取5 g玉米秸稈、120 mL乙醇及80 mL水加入1000 mL的高壓反應(yīng)器中，密封反應(yīng)器。開啟磁力攪拌器的冷凝水；開啟CO2進(jìn)料泵，向反應(yīng)器中充入適量的CO2；然后調(diào)整磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min，設(shè)定反應(yīng)溫度為180℃，壓力為15 MPa；打開高壓反應(yīng)器加熱電源，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，開始計(jì)時(shí)；反應(yīng)時(shí)間60 min后，關(guān)閉加熱電源及攪拌器電源，將反應(yīng)器從加熱槽中取出，通風(fēng)降溫至30℃以下，打開反應(yīng)器放氣閥，待釜內(nèi)壓力降至常壓后，關(guān)閉冷凝水，開啟反應(yīng)器的釜蓋，將反應(yīng)所得混合產(chǎn)物取出；將反應(yīng)產(chǎn)物采用布氏漏斗抽濾，將濾餅固體放置真空干燥箱中40℃烘干后，放入干燥器中保存。

圖1　超臨界CO2預(yù)處理實(shí)驗(yàn)裝置圖[12]

1.2.2　洗脫實(shí)驗(yàn)

通過超臨界CO2/乙醇-水處理后的玉米秸稈，木質(zhì)素基質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)被破壞，大部分木質(zhì)素片段從木質(zhì)纖維素表面脫除，但纖維素表面還會(huì)存在殘余木質(zhì)素。玉米秸稈洗脫實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖敲摮龤堄嗄举|(zhì)素。洗脫實(shí)驗(yàn)操作：將5 g預(yù)處理后的玉米秸稈、200 mL水/乙醇溶液（6∶4/v∶v）和1 wt%NaOH溶液置于反應(yīng)器中，實(shí)驗(yàn)溫度80℃；時(shí)間1 h，反應(yīng)器采用水冷卻；洗脫處理后的玉米秸稈通過布氏漏斗后再用去離子水清洗；將洗脫樣品置于真空烘箱中40℃烘干，存儲(chǔ)在干燥器中備用。

1.2.3　掃描電鏡分析

采用掃描電鏡（SEM，Nanosem 430，F(xiàn)EI）觀察處理前后的玉米秸稈原料表面結(jié)構(gòu)變化。實(shí)驗(yàn)步驟：分別取適量不同處理?xiàng)l件獲得的干燥玉米秸稈樣品，通過離子濺射儀金靶濺射鍍金，再將鍍金后的秸稈樣品放置掃描電鏡下觀察并攝像記錄。

掃描電鏡的操作參數(shù)：加速電壓為0.1～30 kV；步長(zhǎng)為1 kV；放大倍數(shù)為20～80萬(wàn)；分辨率為1 nm；金屬膜厚度為5～10 nm；樣品臺(tái)操作范圍：X、Y方向50 mm，Z方向30 mm。

1.2.4　傅里葉紅外光譜(FT-IR)

取適量充分干燥的待測(cè)樣品，干燥條件下加入少量KBr粉末，在瑪瑙研缽內(nèi)反復(fù)研磨均勻，經(jīng)壓片機(jī)壓成透明薄片，通過Nicolet 6700型傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外分析。漫反射紅外分析采用Smart Preformer Nexus/X700 ATR附件擠壓樣品片，保證樣品和diamond均勻接觸。紅外分析掃描范圍400～4000 cm-1，掃描次數(shù)64次。分辨率4 cm-1。

1.2.5　光電子能譜(XPS)

光電子能譜（XPS）是分析材料表面成分構(gòu)成的有效手段之一。本試驗(yàn)采用PerkinElmer公司的PHI-1600型X光電子能譜儀分析玉米秸稈表面組成。采用Mg靶Kα射線，功率250 W，掃描面積0.8 mm2。樣品室真空度為1.2×10-8Torr。各元素的結(jié)合能是以C1s電子結(jié)合能284.6 eV作為校正標(biāo)準(zhǔn)。

2　結(jié)果與分析

2.1　殘留木質(zhì)素形貌分析（圖2）

圖2SEM圖像

采用掃描電鏡分析的方法，觀察預(yù)處理前后的玉米秸稈樣品表面的木質(zhì)素殘留的狀態(tài)。從圖2(a)可以看出，未處理的玉米秸稈樣品的纖維表面光滑、纖維成束、排列緊密整齊，且分布稀疏微孔。從圖2(b)處理后的未做洗脫處理的玉米秸稈樣品的掃描電鏡圖可以發(fā)現(xiàn)，處理后的秸稈殘?jiān)砻娲嬖诖罅康那驙铑w粒。Donohoe等[10]曾對(duì)酸處理及熱液處理之后的玉米秸稈表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈纖維表面存在球狀顆粒，并采用紅外、核磁等手段對(duì)球狀顆粒進(jìn)行成分分析，確認(rèn)該顆粒為木質(zhì)素。木質(zhì)素的電子顯微鏡相關(guān)的研究也表明，木質(zhì)素是以球狀質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)或塊狀質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)聚集存在[13]。基于上述研究，可以推斷圖2(b)所示的球狀顆粒為木質(zhì)素進(jìn)一步聚合形成的較大分子的殘留木質(zhì)素。球狀木質(zhì)素顆粒也主要存在于纖維中,并且分布不均勻。

圖3為玉米秸稈纖維素表面殘留木質(zhì)素顆粒的尺寸和形貌。從圖3(a)可看出：木質(zhì)素顆粒的粒度為0.1～0.9μm。相比之下，沉積在有機(jī)溶劑制漿過程的殘留木質(zhì)素的粒度范圍為500～2000μm[10]。Donohoe等[10]發(fā)現(xiàn)，在稀酸預(yù)處理過程中，木質(zhì)素顆粒沉積的粒度范圍為0.02～0.1μm。因此可以看出，不同預(yù)處理方法可以改變木質(zhì)素顆粒的大小。圖3是通過在較高的放大倍率下聚焦在單個(gè)粒子上獲得的。從圖3(b)可以看出，顆粒表面并不光滑。根據(jù)Donohoe等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，這些包裹在木質(zhì)素顆粒表面的不平滑“外殼”可能是碳水化合物或者是木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體。然而同時(shí)還需要更多的研究來(lái)探討顆粒表面的成分組成。圖3(c)為一些顆粒聚集在一起，凝結(jié)成不規(guī)則顆粒，使顆粒變大。這表明這些木質(zhì)素小顆粒之間存在相互作用。雖然確切的相互作用還不清楚，但仍有理由推測(cè)這種相互作用可以促進(jìn)木質(zhì)素的聚集。這一假設(shè)可以解釋各種大小的木質(zhì)素小球，如圖3(a)所示。殘留木質(zhì)素的球狀顆粒具有較大的表面積，對(duì)后續(xù)酶解起到抑制作用，降低酶解效率，需采用有效方法進(jìn)行脫除。

2.2　殘余木質(zhì)素的脫除研究

基于上述分析，分別選擇乙醇水溶液（6∶4/v∶v）和1%(wt%)NaOH水溶液對(duì)于殘留木質(zhì)素進(jìn)行脫除，玉米秸稈殘留木質(zhì)素的脫除在MParr 4843反應(yīng)釜中操作。分別取5 g預(yù)處理秸稈殘?jiān)?00 mL處理液于反應(yīng)釜中。處理溫度設(shè)置為80℃，時(shí)間為1 h。反應(yīng)釜具體操作方法見1.2。處理完成后，將洗脫液與秸稈混合物取出，布氏漏斗抽濾，濾餅采用去離子水反復(fù)洗脫。最后，將固體濾餅取出，40℃真空干燥。干燥后的樣品置于4℃下冷藏。

圖3　預(yù)處理后未洗脫的玉米秸稈表面球狀顆粒的尺寸和形貌分析

2.2.1　乙醇水(6∶4/v∶v)洗脫法

溫度和溶解度是影響殘留木質(zhì)素沉積的重要因素。研究表明，濃度60%（v∶v）左右的乙醇溶液在80℃時(shí)對(duì)木質(zhì)素具有較好的溶解作用[14]。因此,采用80℃乙醇水(6∶4/v∶v)溶液對(duì)預(yù)處理秸稈表面的殘留木質(zhì)素進(jìn)行脫除。

圖4為乙醇水(6∶4/v∶v)溶液脫除處理之后的預(yù)處理秸稈殘?jiān)Ｓ蓤D4看出，乙醇水溶液處理之后的預(yù)處理秸稈殘?jiān)砻嫒杂写罅康那驙钅举|(zhì)素顆粒，說(shuō)明部分殘留木質(zhì)素仍不能被乙醇水溶液溶解脫除。根據(jù)xu等[15]的研究可知：在60%乙醇水溶液中，當(dāng)溫度在80℃以上時(shí)，木質(zhì)素具有很好的溶解性。然而，如圖4所示，在80℃下，60%乙醇溶液不能除去纖維素表面的木質(zhì)素顆粒。適宜溫度的乙醇-水溶液洗脫仍不能脫除部分殘留木質(zhì)素，說(shuō)明部分殘留木質(zhì)素在乙醇水溶液中的溶解性較差。由此推斷，殘留木質(zhì)素與纖維素表面不僅存在物理吸附作用，可能還存在一定的化學(xué)鍵合，使殘留木質(zhì)素難以溶解脫除。

圖4　乙醇水(6∶4/v∶v)溶液處理后的預(yù)處理秸稈殘?jiān)?/p>

2.2.2　1%NaOH洗脫法

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液預(yù)處理秸稈表面的殘留木質(zhì)素洗脫。采用80℃乙醇水溶液作為洗脫液，為殘留木質(zhì)素的溶解提供適宜的溫度和溶劑。

圖5為1%NaOH溶液洗脫之后的預(yù)處理秸稈殘?jiān)？梢钥闯觯w維素表面更加光滑。但仍有少量木質(zhì)素顆粒。圖5（b）是在1%NaOH溶液洗脫后纖維素表面的殘余木質(zhì)素的球形粒子圖像。可見，殘留木質(zhì)素顆粒的表面受到一定程度上的破壞。木質(zhì)素碳水化合物化合物由于堿性溶液的化學(xué)活性而被分解。因此，部分木質(zhì)素顆粒被除去。結(jié)果表明，木質(zhì)素的沉積既有物理吸附作用，又有化學(xué)反應(yīng)。一方面，溶解的木質(zhì)素碎片在乙醇溶液中由于溫度降低和木質(zhì)素濃度增加而重新吸附在纖維上；另一方面，由于木質(zhì)素碳水化合物的結(jié)合，一些木質(zhì)素不能溶解在乙醇中，停留在纖維素表面。

2.2.3　兩種洗脫方法的比較

2.2.3.1ATR-FTIR分析比較

ATR衰減全反射光譜技術(shù)是紅外光譜測(cè)試中一種應(yīng)用極其廣泛的技術(shù)，是一種有效的表面分析技術(shù)[16]。本研究采用ATR-FTIR技術(shù)分析經(jīng)過不同處理的玉米秸稈表面發(fā)生的化學(xué)變化。圖6為分別經(jīng)過不同處理的玉米秸稈ATR譜圖。

圖6　不同處理的玉米秸稈的光譜圖

圖6中1510 cm-1和1600 cm-1左右處為木質(zhì)素苯環(huán)結(jié)構(gòu)的典型吸收。由圖6可以看出，經(jīng)過超臨界預(yù)處理之后，未洗脫的秸稈殘?jiān)?510 cm-1處有明顯吸收，說(shuō)明在秸稈表面有大量的殘留木質(zhì)素。分別經(jīng)過乙醇溶液和NaOH溶液脫除處理之后，苯環(huán)峰吸收明顯減弱。說(shuō)明兩種脫除方法均能有效脫除秸稈表面的殘留木質(zhì)素。

對(duì)比不同的洗脫方法發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過乙醇洗脫后的秸稈殘?jiān)媳江h(huán)峰吸收較未洗脫秸稈殘?jiān)鼫p弱，但是仍明顯存在，說(shuō)明殘留木質(zhì)素只有部分被脫除，仍有一部分存在于秸稈表面，不能被洗脫脫除。經(jīng)過NaOH溶液洗脫的秸稈殘?jiān)呀?jīng)幾乎看不到苯環(huán)峰的吸收，說(shuō)明與乙醇水溶液相比，NaOH溶液能更好地脫除秸稈表面的殘留木質(zhì)素。這一點(diǎn)與SEM分析結(jié)果相符。

玉米秸稈經(jīng)過超臨界預(yù)處理后，木質(zhì)素脫除率達(dá)到78%，大部分的木質(zhì)素脫離秸稈。但是，由紅外分析發(fā)現(xiàn)，1510 cm-1處峰的吸收明顯增強(qiáng)。由此推斷，經(jīng)過預(yù)處理之后，木質(zhì)素的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，木質(zhì)素小分子從三維骨架中溶出，大部分木質(zhì)素溶解到預(yù)處理液中，脫離秸稈表面，從而達(dá)到較高的脫除率。另一部分未脫除的殘留木質(zhì)素則沉積在纖維素表面，因此，使得ATR譜圖中苯環(huán)峰仍然具有較強(qiáng)的吸收。乙醇水溶液能脫除部分殘留木質(zhì)素，但是仍有部分殘留木質(zhì)素較難被溶解脫除。NaOH溶液洗脫能有效脫除預(yù)處理秸稈表面的殘留木質(zhì)素。

2.2.3.2XPS分析比較

XPS是分析纖維素纖維表面成分的有效工具。采用XPS分析不同處理后的秸稈樣品，結(jié)果見表1。

圖5　1%NaOH洗脫預(yù)處理秸稈殘?jiān)黃EM

表1　不同秸稈樣品XPS分析結(jié)果比較*

對(duì)于木質(zhì)纖維素原料，C1（C-C或C-H或C=C）只存在于木質(zhì)素中及可溶物中，不存在于纖維素和半纖維素中。因此纖維素表面的殘留木質(zhì)素沉積量可以通過C1含量分析。殘留木質(zhì)素沉積量及殘留木質(zhì)素脫除率計(jì)算公式參考相關(guān)文獻(xiàn)，具體公式如下[17]：

其中，?(lignin)代表表面木質(zhì)素含量；R代表乙醇水(6∶4/v∶v)溶液和1%NaOH水溶液對(duì)表面木質(zhì)素的脫除率。

由表1可看出，預(yù)處理之后，殘留木質(zhì)素沉積量?(lignin)減小，說(shuō)明超臨界預(yù)處理可以破壞木質(zhì)素對(duì)纖維素的包裹，更多的纖維素纖維暴露出表面，纖維素表面的木質(zhì)素減少。結(jié)合木質(zhì)素脫除率分析結(jié)果，超臨界預(yù)處理能脫除大部分木質(zhì)素。預(yù)處理秸稈分別經(jīng)過乙醇水(6∶4/v∶v)溶液洗脫以及1%NaOH溶液洗脫之后，?(lignin)依次減小，表明兩種洗脫方法能有效脫除纖維素表面的殘留木質(zhì)素。乙醇水溶液及NaOH水溶液對(duì)殘留木質(zhì)素的脫除率分別為19.2%及22.2%，說(shuō)明兩者均能脫除部分殘留木質(zhì)素。但是可以看出1%NaOH溶液洗脫效果較好。

3　結(jié)論

3.1在玉米秸稈超臨界CO2/乙醇-水預(yù)處理過程中難以脫除的殘留木質(zhì)素以球狀顆粒形式不均勻分布在纖維素表面，粒度為0.1～0.9μm，并在纖維素粗糙表面相互聚集，形成多粒度的殘留木質(zhì)素顆粒。

3.2殘留木質(zhì)素的球狀顆粒具有較大的表面積，對(duì)后續(xù)酶解起到抑制作用，降低酶解效率，需采用有效方法進(jìn)行脫除。

3.3乙醇水(6∶4/v∶v)溶液及1%NaOH水溶液對(duì)殘留木質(zhì)素的脫除率分別為19.2%及22.2%，說(shuō)明兩者均能脫除部分殘留木質(zhì)素，并且NaOH水溶液脫除效果優(yōu)于乙醇水溶液。

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