两种催化剂用量对微晶纤维素水解的影响.doc

两种催化剂用量对微晶纤 维素水解的影响 摘要：纤维素的水解是木质纤维素资源开发利用的关键步骤之一，纤维素常温下不发生水解，高温下水解缓慢，催化剂存在下，纤维素的水解反应才能显著进行。采用3,5-二硝基水杨酸法和碘间接滴定法测定产物中的总还原糖和葡萄糖产率对纤维素水解的影响结果表明，关键词：纤维素；；水解 1 前言[1]。 纤维素作为生物质能源的一种，由于其来源广泛，原料价格低廉，水解后产品在市场上供不应求，并且对环境友好，一直备受各研究专家的重视，但由于纤维素的高聚度及水解的难度很大，使得开发其功能又是一件困难的事，因此研究出一种新的有效的纤维素水解的方法是必要的。1.1纤维素 木质纤维素是世界上存在最广泛的可再生生物质资源，其主要成分为纤维素，半纤维素，木质素。不同原料中纤维素的分布情况不同，软木材和硬木材组分及含量见表1[]。 表1 软木材和硬木材中纤维素的分布情况 木材种类 硬木材% 软木材% 纤维素 40-50 40-50 半纤维素 25-35 25-35 木质素 20-25 25-35 胶质 1-2 1-2 纤维素分子是由葡萄糖分子通过β-1,4糖苷键连接而成的链状高分子聚合物，其结构式如图1所示。每个大分子中含的葡萄糖残基数一般为7000~15000个。目前，纤维素的结晶结构至少可以分为五种晶型，分别为纤维素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和纤维素Ⅴ，其中纤维素Ⅰ为天然纤维素的晶型，通过其它人工条件可以使天然纤维素向其它晶型转变。 图1 纤维素分子的结构纤维素广泛存在于自然界中天然纤维素主要存在于植物细胞壁中，其中以农作物的秸秆中纤维素的年产量最高。据不完全统计，全世界每年可生产近20亿的秸秆。中国是个农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，每年生产6.4亿多吨秸秆，而且随着农作物单产量的提高，秸秆产量也随之增加。现阶段国内秸秆中纤维素的用途大致可分为4个方面：①作为工业原料，主要用于工业造纸；②作为畜牧饲料；③造肥还田；④农村生活能源。各种用途所占比例如表2所示[]： 表2 中国农作物秸秆的主要用途 用途 所占比例 造纸原料 2.9 牲畜饲料 处理后 14.8 未处理 16.1 农村生活能源 45 秸秆还田及其他损失 21.2 总计 100 从表2可知有近一半的秸秆用于农村生活能源，剩余的则用于牲畜饲料，秸秆还田和造纸。但大部分能源都利用不充分。因此开发纤维素的高效利用是一种必然趋势。1.2 纤维素的水解 纤维素大分子中氢键使大量高反应活性的羟基被封闭在结晶区内，难于被各种反应试剂所接触，因而纤维素性质很稳定，不溶于水，无还原性[]。但在化学或物理作用下，纤维素发生功能基转化，葡萄糖基中的C-C键、C-O键减弱，直至完全裂解转化生成各种小分子化合物，纤维素的水解是木质纤维素资源开发利用的关键步骤之一[]。目前国内外比较常见的纤维素水解的方法有酶水解、超临界水水解和酸水解。固体酸催化纤维素水解是最近几年研究的热点，固体酸在催化效率、催化剂回收等方面与液体酸相比有很大优势。A. Onda[9]等研究了二氧化硅以及不同硅铝比的分子筛催化水解低聚合度纤维素的研究，结果表明，在反应时间为24 h后，二氧化硅以及不同硅铝比的分子筛均有较好的催化效果，其中Si/Al摩尔比为12到13分子筛总的还原糖得率达到了25％。K. Shimizu[10]等研究了杂多酸催化水解纤维素的研究，结果表明在反应时间2 h，反应温度1500 ℃，总的还原糖得得率达到了23％，比同等条件下稀硫酸的催化效率还要高，是一类良好的催化纤维素水解的固体酸催化剂。 赵银中等[]人以葡萄糖为原料，制备了磺化活性炭碳固体酸催化剂，用该磺化碳固体酸对旧瓦楞纸箱(OCC)进行糖化水解，考察了相关因素对水解反应的影响。结果表明，磺化碳固体磺酸可以有效地催化OCC水解糖化，最佳反应条件为:反应温度150 ，反应时间8 h，固液比OCC:水2 mg/ml，催化剂加入量0.6 g，还原糖产率为26.65%，葡萄糖产率为10.88%。但催化剂稳定性较差,重复使用3次后，由于表面磺酸基团流失，还原糖产率下降24.54%，葡萄糖产率下降34.56%。催化剂的活性可以通过再磺化得到恢复。 江文辉等[]人用磺化活性炭固体酸催化麻疯油与甲醇的酯交换反应非常有效，最佳反应条件甲醇与麻疯油物质的量之比固定为12:1：催化剂用量为麻疯油质量的10％，反应温度120 ，反应时间8 h，反应原料中含脂肪酸不大于10％，含水量不大于5％，酯交换率可达到95％左右。这种催化剂循环使用10次，酯交换率没有下降。1.5 选题目的和意义 随着现代工业发展，世界人口激增，能源危机日趋加剧。据估计，世界上已知的石油储存量大约30年内将被消耗完。纤维素是地球上最丰富，最廉价的可再生资源，研究开发纤维