连续准备D-Xylose、Organosolv木质素和非晶超细二氧化硅从稻壳

文摘

米糠是一个丰富的农业副产品达到每年8000万吨的产量。最常见的治疗方法稻壳燃烧或埋葬,造成严重的空气污染和资源浪费。为了解决这个问题,提出了一种新的方法来综合利用稻壳。首先,D-xylose从半纤维素经稀酸水解制备。其次,通过有机溶剂制浆木质素分离的残留。最后,非晶超细二氧化硅制备通过热解产生的残渣在第二个过程。这样,稻壳的三个主要内容(半纤维素、木质素和二氧化硅)连续转换为三个精细化学品,不产生的固体废物。D-xylose的收益率和organosolv木质素达到58.2%和58.5%,分别。的纯度和比表面非晶超细二氧化硅达到99.92%和225.20米²/ g。

1。介绍

生物材料提供提高的潜力,生物降解,远离有害的添加剂。所以生物材料有望减轻许多可持续发展问题。作为一种生物材料,稻壳(RH)是丰富的农业副产品在所有大米生产国。RH的年产量世界和中国大约80和4000万吨1),分别。先前的报告讨论了稻壳转化为一些产品,如建筑材料(2],吸附剂[3),和沼气4]。然而,它们中的大多数都是在中国目前公开焚烧或掩埋,这引起了严重的环境污染。因此,它是非常迫切需要找到新的方法来充分利用稻壳。

RH由木聚糖18%,22%的木质素,纤维素38%,20%的非晶硅,和2%的其他有机成分(5]。所以稻壳综合利用的关键是同步利用率的主要内容。这里的研究报告涉及的高效技术连续生产D-xylose organosolv木质素,非晶超细二氧化硅从稻壳的三个主要内容。

D-Xylose相关领域广泛用于食品和医药行业的低热值和可接受的感官性质。根据研究的渡边等。6),RH的半纤维素是由阿糖基木聚糖代替,所以D-xylose可以通过稀酸水解(准备7]。

木质素是丰富的可再生芳香生物聚合物(8],广泛用作吸附剂[9),碳前体农药(10),活性炭(11],聚合物添加剂[12),等等。木质素是分离生物质通过碱性制浆(卡夫和苏打)过程在商业规模(13]。然而,这种方法不适合分离RH的木质素。RH的无定形氧化硅可以很容易地转化为硅酸盐溶解在碱性制浆过程中,造成的损失二氧化硅和碱回收困难。有机溶剂制浆分离木质素与RH是一个很好的选择,因为它对RH的无定形氧化硅影响不大。本文选择乙二醇作为溶剂的沸点高,热稳定性好。

超细硅广泛应用于电子、陶瓷、塑料、橡胶、和光电材料产业(14]。非晶硅的含量在所有禾本科植物RH是最高的。非晶的制备超细二氧化硅从RH是最具吸引力的利用方法。一些报道认为米糠皮的极好来源高档无定形氧化硅(15- - - - - -17]。我们以前报道,超细氧化矽粉水解半纤维素和粉碎后得到RH残渣(18]。然而,丰富的木质素残渣燃烧热解过程中高温(750°C),木质素是浪费,和能源消耗高,更不用说严重的超细硅聚合由于热解温度较高。因此,如何有效地利用稻壳的木质素热解的温度降低,提高超细二氧化硅的分散性是本文中讨论。的一种新方法综合利用半纤维素、木质素,和提出了稻壳二氧化硅。在这种方法中,半纤维素,木质素和硅在RH D-xylose连续转换,organosolv木质素,非晶超细二氧化硅的碳中性,没有生产固体废物。这种方法有助于解决了浪费和污染问题引起了由稻壳。

2。材料和方法

2.1。材料和试剂

稻壳是来自附近的碾米机长春城市,中国。RH清洗用蒸馏水彻底删除秉承土壤和灰尘,然后干一夜之间在65°C,把…粉碎在就业之前60网格。

所有化学试剂,如乙二醇,硫酸和氧化钙,分析纯,国药控股化学丽晶有限公司在中国。

2.2。半纤维素水解和D-Xylose准备

RH的半纤维素是由稀硫酸在一定条件下水解。过滤后,用乙醇洗净,D-xylose获得纯度为98.5%。是前面描述的详细信息18]。

2.3。分离木质素从残留1

1指的是残留的半纤维素水解产生的稻壳。它是与乙二醇混合解决方案在某个比例到50毫升聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压蒸汽。高压釜搞砸了,事先放入烤箱加热到设计温度和保存在一个特定时期内。制浆完成后,高压灭菌器取出,自然冷却到333 K。固体RH残渣和液体迅速过滤,和残渣与333 K有机溶液洗两次降低木质素沉积。滤液收集在一个烧杯,三乙二醇溶液的体积蒸馏水补充到滤液。木质素的自动降水立即发生。为了完整的沉积,电磁搅拌。暂停再次过滤分离固体从废液木质素。收获的木质素是干一夜之间在室温下真空干燥炉。

2.4。非晶的制备超细硅渣2

两步方法是用来降低温度,改善超细二氧化硅的分散性。剩余2指的是RH产生的木质素提取过程。干后一夜之间在65°C,剩余2是加权和放入管式炉,这是预先加热到一定的温度下二氧化碳气体的流动(第一步);水解残渣2是黑粉(硅和碳的混合物)。然后二氧化碳气体流量变化是氧气流量在一定温度(第二步)。黑粉完全变成白色硅在30分钟内。

2.5。分析

的大小和形态硅粉是用透射电子显微镜(JEOL jem - 1200 ex)。

样品的热稳定性进行了热重分析仪(梅特勒-托利多,TGA / SDTA 851)在空气中大气压。大约15毫克样品从室温加热到900°C的不断升温速率10°C /分钟和20毫升/分钟的气体流量。

硅粉的比表面积、孔隙大小测量使用Brunauer-Emmett-Teller(打赌)方法与自动化学吸收作用/物理吸附表面积和孔径分析仪(Quantachrome AUTOSORB-1C)。

明显的衡量分子量(Mw),明显的相对分子量(Mn)和分子量分布(Mw / Mn, DPI)是衡量一个凝胶渗透色谱法(水1515)工具。Styragel HT列使用四氢呋喃作为洗脱液在308 K(1.0毫升/分钟)。获得的校准曲线与线性聚苯乙烯标准。

木质素是地面和混合与溴化钾颗粒(m / m 0.5%)获得红外光谱与傅里叶变换红外光谱学(日本岛津公司8400年红外光谱)。

进行紫外光谱(UV)是一个日本岛津公司利用木质素上面提到的UV - 2550。木质素和硫酸钡混合,按附件的uv - 2550得到表面光滑;木质素的紫外吸收光谱是通过积分球的方法。

硅粉的无定形状态进行x射线衍射仪(日本岛津公司- 6000),使用铜Kα()辐射。

测量硅粉的纯度,电感耦合等离子体(ICP)上执行一个ICP光谱仪(安捷伦7500 a)。

的内容半纤维素、纤维素、木质素和二氧化硅RH测量根据中国国家标准GB / T -94 - 2677.9, GB / T 2677.10 - -95, GB / T 747 - 2003, GB / T 2677.3 - -93。

3所示。结果和讨论

稻壳和残留的主要内容如表所示1。看到木质素的含量,纤维素和二氧化硅增加在1和残留的2中,半纤维素的衰减。

3.1。探讨乙二醇制浆RH残留1

organosolv制浆机制通常被认为是如下(19):α芳基醚键和β芳基醚键的木质素被有机溶液条件下足够的温度、压力和时间。的水解α芳基醚键的关键因素影响organosolv制浆,但还有其他反应同时发生,如水解β芳基醚键。木质素矩阵被转换为木质素的片段然后溶解在有机溶液形成稳定的胶体分散系。当水被添加在这个胶态分散体,有机溶液的浓度下降;的溶解度木质素碎片却降低了。木质素碎片是沉积和分离有机溶液。

因此,变量影响收益率的木质素残渣1被认为是温度、时间、浓度的乙二醇溶液,和乙二醇残留的比例。一个因素的方法进行了实验调查的影响这些变量在制浆过程中木质素的收益率。木质素的收益率在本文中被定义为(木质素的实际产出)/(木质素的理论输出)×100。

3.2。制浆的影响温度对木质素的收益率

制浆的影响温度对木质素的产量调查,也就是说,453 K, 463 K, 473 K, 483 K, 493 K。高压灭菌器在非等温加热到一定的温度和保存3个小时,分别。乙二醇的浓度是固定在80% (v / v);RH残留1和乙二醇溶液固定比率(1:6,g:毫升)在不锈钢高压釜中混合。木质素样品过滤和在室温下真空干燥后得到。温度对木质素的产量的影响,在图所示1(一)。

从图1(一)木质素的产量迅速增加的增量从453 K到483 K温度,当温度超过483 K,木质素的收益率下跌。它可以被解释为木质素的水解需要足够的能量,但是当温度超过483 K,木质素的侧反应迅速增加。

3.3。制浆的影响时间产生的木质素

时间的效果,也就是说,1,2,3,4,5个小时,是调查。乙二醇溶液的浓度和温度是固定在80%和483 K。残留1和乙二醇溶液混合的固定比率1:6 (g:毫升)不锈钢高压锅。这些高压灭菌器非等温加热到483 K,分别保存一定的时间。经过过滤和在室温下真空干燥,得到木质素样品。制浆的影响时间的收益率木质素在图所示1 (b)。

图1 (b)显示了非凡的增量后的木质素与时间增量的收益率5小时。生物质原料的有机溶液被建模为初始的不可逆的连续和解散,散装,残余木质素(20.]。从图我们可以看出1 (b),2小时的持续时间可能是最初的溶解木质素,大部分3 - 4小时,5小时残余木质素的溶解。

3.4。乙二醇溶液的浓度对木质素的收益率

一系列的乙二醇溶液的浓度为50%,60%,70%,80%,和90%(体积分数),分别调查。高压灭菌器的非等温加热到483 K和保存4个小时。经过过滤和vacuum-dried在室温条件下,木质素样品。木质素的浓度对收益率的影响如图1 (c)。

从图1 (c)木质素的产量迅速增加浓度的增加80%,但当浓度超过80%,木质素的产量变化小。

3.5。剩余1比乙二醇溶液对木质素的收益率

残留的比率的影响1 -乙二醇溶液,1:5,1:6,1:7,1:8和1:9日(g:毫升),分别调查。乙二醇水溶液的浓度是固定在80%,和高压灭菌器非等温加热到483 K和保存4个小时。残留的比率的影响1 -乙二醇溶液在木质素的产量图所示1 (d)。

如图1 (d)所示,残留的比例1 -乙二醇溶液对木质素的产量没有显著的影响。最低和最高收益率分别为14.61%和20.20%,分别。这种现象也许暗示乙二醇溶液总是足够的木质素的溶解。

制浆的影响温度、时间、浓度的乙二醇,残留的比例1解决方案讨论了木质素的收益率由单因素实验。然而,这些实验不能给四个因素或关键变量的最佳组合收益率的木质素。所以一个正交试验设计优化进行木质素提取;细节如下所示。

3.6。通过正交试验设计优化乙二醇制浆

每个因素的水平正交试验选择基于单因素实验结果。例如,温度选择在473年的水平,483年和493 K温度的单因素实验证明最优温度483 K, 483 K值是选择正交试验。独立变量和四个不同层次,(乙二醇浓度)、B(剩余1比乙二醇)、C(时间)和D(温度),表中列出2。

所有选择的因素是检查使用L₉(3)⁴正交试验设计。总评价指标分析了统计方法。分析结果由统计软件SPSS 13.0展示在表3。

根据R值,木质素的影响因素(%)收益率递减的顺序列出如下:D > > C > b .影响产量的关键因素是温度。乙二醇的浓度有显著影响木质素的收益率,但残留的比例1乙二醇影响不大,同意单因素实验的结果。木质素的最高产量(34.47%)时获得的温度、酸浓度、时间,和残留1比乙二醇493 K, 90%, 4 h,和1:分别为6。

虽然最优条件通过正交试验,讨论了木质素最高收益率仅为34.47%。这种情况的原因是由于缺乏RH残留的半纤维素,木质素的矩阵是破碎的乙酰基乙酸生成的半纤维素(20.]。

因此,实验的催化剂对木质素的产量的影响。硫酸选择提供H⁺对其热稳定性和更少的波动。

3.7。木质素的催化剂对收益率的影响

采用正交试验的最优条件,也就是说,473 K, 4小时,1:6和90%的催化实验。添加了浓硫酸混合的残渣制浆前1和乙二醇溶液。催化剂的用量由乙二醇溶液的体积百分比计算。图2(一个)显示了木质素的催化剂对收益率的影响。

从图2(一个)硫酸有显著影响木质素的收益率。木质素的产量的增加迅速增加催化剂的用量。当催化剂的用量为0.5%,木质素的收益率达到了58.45%的最高价值,这增加了70%超过最优正交试验的结果。然而,当催化剂的用量超过0.5%,木质素的收益率下降由于子公司的反应。实验表明,残留有轻微的碳化在同一时间。

从这个最优条件调查获得的木质素红外光谱仪(IR)、紫外光谱(UV),和凝胶渗透色谱法(GPC)。

红外光谱仪和解释在图所示2 (b)和表4木质素的特征吸收峰,如820厘米⁻¹,1201厘米⁻¹和1275厘米⁻¹。这个结果表明木质素结构的样本。

紫外光谱仪如图2 (c),这也证实了木质素的特征结构。最强的峰附近210海里是一个吸收带的共轭烯烃的债券,指示电子跃迁和更强的欠饱和。宽阔的肩峰出现在300纳米是由共轭系统如芳环的存在。

GPC分析来确定执行Mw, Mn, DPI的木质素。如图2 (d)所示,洗脱时间转向高分子量,和GPC跟踪仍然monomodal。Mw和Mn 1527年和1208年,分别。的多分散性聚合物是1.26。

通过催化乙二醇制浆,从残留1木质素分离的最佳条件。木质素的最高收益率达到58.45%。产生的残渣的最佳催化乙二醇制浆残叫2。它有更多的二氧化硅和木质素低于残留1(如表所示1),这意味着减量热解木质素浪费和能源消耗的进展。同时,大多数金属元素在RH(如钾、钠、钙、和Al)大幅下降后水解半纤维素和木质素分离(见表5)。所以残留2比残留1准备超细二氧化硅。进行了如下的实验。

3.8。通过水解制备非晶超细二氧化硅的残留物

变量如温度、气氛和时间有明显影响的形态和分散度通过热解残渣2超细二氧化硅。讨论的细节如下。

3.9。热解的温度

温度有重要影响超细硅的纯度和形态。因此,采用TG分析研究热解温度。稻壳的结果,剩余1,残渣如图24(一)。

图4(一)显示恒重了三个样品的温度增加的增量灰内容,也就是说,对稻壳560°C, 630°C的残渣和残留2 680°C。这种差异的原因是由于减少残留的半纤维素。半纤维素的热稳定性、木质素和纤维素是逐步增加。稻壳最丰富的半纤维素;剩余1最丰富的木质素;剩余2有最丰富的纤维素。因此,稻壳恒定的温度最低最丰富的半纤维素,和残留2恒温最高最丰富的纤维素。

3.10。热解的气氛和时间

大气和时间对形貌有明显的影响,超细二氧化硅的差距。实验证明的直接水解残渣1在空气气氛需要艰苦的条件下(750°C 15分钟或600°C 6小时);超细二氧化硅有明显的集聚也(18]。发现氧气气氛可以减少空气的热解温度和时间比较大气(600°C 1小时,1.5小时550°C),但超细二氧化硅仍保持明显的集聚。TG结果表明残留2更难pyrolyze纤维素的含量高。因此,采用一种间接热解方法降低温度的热解残渣2,为了提高二氧化硅的集聚。这个方法包括两个步骤;因此它被称为两步热解法在这篇文章中。

(1)在惰性气氛下Pyrolyzing(第一步)。干渣2加权,放入管式炉,这是预先加热到550°C。剩余2正交二氧化碳气体的流动下了半小时。惰性字符的二氧化碳,没有残留的kindle 2,避免温度的显著增加。有机材料,如纤维素水解碳,使得硅远离集聚。第一步后,碳和硅的混合器是获得如图3(一个)所示。

(2)氧气气氛下Pyrolyzing(第二步)。二氧化碳气体流变成氧气流在550°C。黑粉完全变成白色硅在30分钟内,碳是正交的二氧化碳。

因此,pyrolyzing残留2的温度下降到550°C的两步热解方法,即低于空气中的热解温度(680°C)。它有助于改善超细硅粉的集聚。

的形态、大小和聚合硅粉由TEM研究了。如图3 (b)所示,粉是一种不规则的总直径20海里。

硅粉的结晶状态是由XRD测试,如图4 (b)所示。结果表明,硅粉是无定形的状态。的多孔硅粉;Brunauer-Emmett-Teller(打赌)方法用于分析样品的孔隙率和比表面积。图4 (c)显示了氮adsorption-desorption等温线的硅粉在77 K。的较低部分循环跟踪在吸附、解吸和上部。看到的是磁滞回线像Brunaur IV型的分类。较低的值P / P⁰II型等温线是类似的,但随后吸附在P / P明显增加⁰0.5以上,孔隙发生凝结。

图4 (d)显示了一个情节每增加孔隙体积增加的孔隙大小、孔隙大小。这个结果是由Barrett-Joyner-Halenda (BJH)方法(基于解吸分支)。一个峰值在硅样品有最大值为30.6 nm。毛孔会从微粒之间的剩余空间现有的或形成的硅制备。打赌的结果告诉这个石英的比表面积是225.20²/ g。孔隙度的原因是,有机物被分解在稻壳的热分解,因此留下了一个高度多孔结构。

硅的纯度从稻壳和残留2获得的最佳条件下乙二醇制浆研究ICP。结果如表所示5。看到的是金属氧化物在RH高效半纤维素水解和乙二醇制浆后删除。硅的纯度是99.92%,高于硅从残留1空气大气中通过pyrolyzing [18),有更好的分散性,降低残留pyrolyzing温度。

4所示。结论

通过硫酸水解、乙二醇解制浆和两步热解,高纯D-xylose, organosolv木质素,和超细二氧化硅准备连续从稻壳,半纤维素,木质素和硅在稻壳综合利用。从渣中提取木素的最佳条件是493 K, 90% (v / v), 4 h,和1:6 (g:毫升),最高产量的34.47%。当催化剂的用量(浓硫酸)是0.5%,木质素的产量达到了最高的58.45%。非晶超细二氧化硅准备从剩余2通过两步热解方法与直径20 nm左右,225.20米的比表面²/ g,纯度为99.92% (wt. %)。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者欣然承认吉林省科学技术部门(没有。20130206076 gx,没有。20130206056 gx)为他们的金融支持。

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