Ⅰ:DES 1st treatment;Ⅱ:DES 2nd treatment;Ⅲ:DES 3rd treatment
Fig.1 Experimental flowchart of single treatment and multi-stage heat treatment
TIAN Rubo,ZHANG Man,LU Houfang.Efficient separation of poplar lignin through multi-stage heat treatment by deep eutectic solvent[J].Journal of Taiyuan University of Technology,2023,54(6):969-977.
Ⅰ:DES 1st treatment;Ⅱ:DES 2nd treatment;Ⅲ:DES 3rd treatment
Fig.1 Experimental flowchart of single treatment and multi-stage heat treatment
Fig.2 Solid retention ratio and lignin extraction ratio
Fig.3 FT-IR spectra of poplar wood powder before and after DES treatment
Fig.4 (a) XRD patterns and (b) crystallinity changes of poplar wood powder before and after DES treatment
Fig.5 SEM images of poplar wood powder before and after DES treatment
Fig.6 Molecular weight distribution of DES regenerated lignin under different conditions
目前,化石资源的过度消耗所带来的环境污染与资源短缺问题日益严重,我国实现“双碳”目标任务艰巨[1]。利用木质纤维素资源部分替代化石能源是缓解上述问题的一条可行的现实途径[2]。因为生物质分布广泛、资源丰富、可再生,并且从生物质的全生命周期来看几乎是“零碳”排放。由于木质纤维素结构的顽固性,其高价值利用的关键在于开发高效、低成本且对环境友好的分级处理方式[3],将其三大组分有效分离以利于后续根据各自特点进行区别利用。2012年,FRANCISCO et al[4]发现大部分羧酸与季铵盐组成的低共熔溶剂(DES)对木质素有着良好的溶解能力,而对纤维素几乎不溶解,即DES具有较高的木质素/纤维素分离选择性,在木质纤维素处理与分级利用方面展现出了巨大的应用潜力。DES是一种由氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)组成的共晶混合物[5],具有制备简单、稳定性好、成本低廉、无毒、可生物降解和易于循环利用等特点,是一种理想的木质纤维素处理溶剂[6]。
DES对木质纤维素生物质的分离效果与反应条件密切相关,通过调节反应温度、反应时间等参数可以改变DES对木质素的溶解性能[7-8]。CRONIN et al[9]使用乳酸/氯化胆碱(ChCl)DES提取玉米秸秆水解残渣中的木质素时发现,随着反应温度从90 ℃升高至120 ℃,木质素最大提取率由34.3%显著提升至79.4%,但当反应温度进一步提高至130 ℃时木质素提取率不升反降;就反应时间而言,在不同温度下木质素提取率均随着反应时间的延长呈现先升高后降低的趋势。类似地,MA et al[10]通过微波辅助的乙二醇/ChCl/AlCl3DES分离提取白杨中木质素的最佳反应条件为110 ℃、10 min,过高的反应温度和过长的反应时间可能造成木质素的再聚合,不利于木质素提取率的提高。在一定范围内,升高温度和延长反应时间可以促进DES提取木质素,然而过于激烈的反应条件不但会增加生产成本,还可能会使已溶解产物重新聚合,降低生物质组分的分离效率[11]。
基于上述DES处理所存在的问题,本研究提出一种80-100-120 ℃逐步升温的多级处理工艺路线,旨在进一步提高DES在温和条件下对木质素的分离能力。使用苹果酸/ChCl DES提取杨木粉中的木质素组分,通过更换新鲜DES的方式降低产物的浓度,同时前期采用较低的处理温度,以降低反应的激烈程度,减少产物的再聚合,提高杨木粉中木质素的提取率。
HZ-9613Y高温油浴振荡器,江苏金怡仪器科技有限公司;TDL-5-A型离心机,上海安亭科学仪器厂;RE-2000A旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂;SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵,巩义市予华仪器有限责任公司;DZF-6050真空干燥箱,上海齐欣科学仪器有限公司;Li10014傅里叶红外光谱(FT-IR)仪,美国珀金埃尔默股份有限公司;DX-2700 X射线衍射(XRD)仪,丹东浩元仪器有限公司;Regulus 8230扫描电子显微镜(SEM),日本日立公司;Agilent GPC 50凝胶渗透色谱(GPC),美国安捷伦科技公司。
DL-苹果酸(>99.5%),ChCl(>99.0%),乙醇(>99.7%),成都市科隆化学品有限公司。所有试剂使用前均未进一步纯化处理。杨木粉收集于成都地区附近某木材加工厂,主要组分及质量分数分别为:综纤维素55.2%,木质素22.9%,抽提物2.4%,灰分7.6%,水分8.8%.
苹果酸与ChCl按2∶1的物质的量之比混合,在温度为90 ℃、振荡频率为120 r/min的高温油浴振荡器中加热,直至形成均一的溶液[12]。为了降低混合物的黏度,向溶液中添加5%(质量分数)的去离子水,继续加热搅拌至溶液重新变为无色透明的均相DES[13].
对于单次处理,将4.0 g杨木粉与40 g DES在100 mL玻璃锥形瓶中混合。然后将锥形瓶置于振荡油浴中,在120 ℃下反应12 h,期间以120 r/min的频率连续振荡搅拌。反应结束后,向反应混合物中加入40 mL乙醇进行稀释。通过离心(4 000 r/min,12 min)分离稀释后的反应液相和固体残留物(富纤维素固体)。固体残留物使用乙醇洗涤3次,然后使用去离子水洗涤2次,在80 ℃烘箱中干燥至恒重。
对于升温多级处理,首次处理时将4.0 g杨木粉与40 g DES混合,在80 ℃下反应4 h,实验操作方法与单次处理相同;对于第二次处理,收集4 g经过首次处理得到的干燥的固体残留物,与40 g新鲜DES混合,在100 ℃、4 h的反应条件下进行木质素再次提取,操作方法同单次处理。第三次处理同理,反应条件为120 ℃、4 h.处理流程如图1所示。
Ⅰ:DES 1st treatment;Ⅱ:DES 2nd treatment;Ⅲ:DES 3rd treatment
图1 单次处理与逐步升温多级处理实验流程图
Fig.1 Experimental flowchart of single treatment and multi-stage heat treatment
经过DES处理后的固体分别按公式(1)和公式(2)计算固体保留率(Rr)和木质素提取率(Re):
(1)
(2)
式中:w为DES处理后固体残留物的干重,g;w0是未处理的杨木粉的初始质量,g;a为DES处理后固体残留物中木质素的含量(质量分数),%,根据美国国家可再生能源实验室(NREL)的分析方法(质量分数)[14]测得;a0是未处理的杨木粉中木质素的含量(质量分数),%.
收集1.3中的反应液相与洗涤液(主要为乙醇和水)并混合得到混合液,使用旋转蒸发器在60 ℃及0.08 MPa真空度下将混合液旋转蒸发2 h,生成深棕色浓缩液(富含木质素部分)。向浓缩液中加入10倍体积的去离子水以再生木质素。使用G5砂芯漏斗分离得到再生木质素,木质素用去离子水洗涤至滤液呈中性,并在40 ℃下真空干燥,直至达到恒定质量。
采用傅里叶变换红外光谱仪对DES处理前后的生物质样品的官能团进行表征。扫描范围为450～4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描次数为32次。样品制备采用KBr压片法,将固体试样与KBr粉末置入玛瑙研钵中研磨均匀,装入压片模具并在高压下制备KBr样片。
采用X射线衍射仪对DES处理前后的生物质样品的晶体结构进行分析。使用Cu Kα射线,管电压为40 kV,管电流30 mA,测量范围为5°～45°,扫描速度为4(°)/min.通过(3)式计算结晶度指数(ICr):
(3)
式中:I200为样品在2θ≈22.4°处最大衍射峰强;Iam为非晶部分在2θ≈18.2°处最小衍射强度。
采用扫描电子显微镜观察生物质在DES处理前后的表面形貌,仪器的操作电压为3 kV,使用不同倍率观察并拍摄图像。测试时将导电胶粘到铂金样品台上,随后将生物质样品依次粘贴在导电胶上,进行喷金处理后进行扫描拍摄。
采用凝胶渗透色谱(GPC)对再生木质素的分子量进行检测。GPC进样量为100 μL,以四氢呋喃(THF)为流动相,流速为1 mL/min.使用254 nm的紫外波长分析分子量分布。制备GPC样品时,将20 mg预先乙酰化的再生木质素溶解在10 mL THF中,使用0.45 μm过滤器进行过滤以去除固体颗粒。
图2(a)为DES单次处理时反应时间对杨木粉中木质素提取率的影响。根据文献报道,苹果酸基DES体系在120 ℃下有较好的木质素分离能力[15],因此选用120 ℃作为DES单次处理时的反应温度。在该温度下,木质素提取率在反应时间为4 h时达到最高(75.3%),随着处理时间从4 h延长至12 h,木质素提取率逐渐降低至67.4%,同时富纤维素固体残留物的保留率也略有下降,说明延长处理时间不利于DES提取木质素,这可能是由反应条件过于激烈所导致[16]。为了进一步提高木质素的溶解效果,同时避免高温以及长时间反应导致的木质素提取率下降,提出了逐步升温的多级处理工艺。
图2 固体保留率与木质素提取率
Fig.2 Solid retention ratio and lignin extraction ratio
如图2(b)所示,在逐步升温多级处理过程中,首次处理时反应温度为80 ℃,在4 h的时间区间内木质素提取率为26.0%;固体残留物经过100 ℃再次处理相同时间后木质素提取率提高至66.9%,略低于120 ℃下8 h的木质素提取率(71.3%),但所需要的反应温度大大下降,同时纤维素保留率也有5.5%左右的提高;二次处理后的固体再次经过120 ℃下3次处理,木质素提取率显著提高至89.6%,相较于120 ℃处理12 h,木质素提取率提高了22.2%.据报道,在DES处理过程中,木质素的解聚与再聚合可能同时发生,因此木质素的提取可能是两个反应的综合结果[11]。逐步升温多级处理通过更换新鲜DES的方式降低了产物的浓度,从反应动力学的角度,有利于木质素溶解反应的正向进行。另外,由于前两次处理阶段降低了反应温度,反应的激烈程度也有所降低,产物的再聚合有所减少,因此木质素提取率显著提高。
另外,就成分变化而言,DES在对杨木粉原料进行处理时,固体实际溶解质量明显大于木质素溶解量,这是由于在DES处理过程中,杨木粉中的半纤维素、蛋白质、磷脂、核酸等生物大分子以及水分等由于相互作用较弱,较易溶解进入液相[17]。单次处理时这些物质会与木质素竞争溶解,且在液相中以杂质的形式累积,不利于生物质组分的进一步分离[18]。逐步升温多级处理可以在较温和的温度下将这些物质进行去除,起到预处理的作用。因此,后续处理过程中DES可以更好的与木质纤维素进行反应,实现生物质组分高效分离。
DES处理前后的生物质的FT-IR图谱如图3所示。1 736 cm-1处的峰对应半纤维素中的乙酰基与木质素中的羰基酯键,DES处理后该峰强度有所增加,可能与木质素的侧链官能团取代有关[19]。1 375、1 332和1 243 cm-1处的吸收峰分别对应半纤维素中的C—H、O—H和C—O键[20]。在DES单次处理和升温多级处理之后,这些吸收峰强度降低或消失,表明半纤维素被去除。898 cm-1处的吸收峰是纤维素糖单元间β-葡萄糖苷键产生的[21],而1 162 cm-1处的吸收峰与纤维素中C—O—C不对称伸缩振动有关[22]。在不同处理条件下这两处的吸收峰均得到保留,且强度几乎不变,说明DES处理可以很好地保留纤维素。1 595 cm-1与1 509 cm-1处的峰与木质素芳核的振动有关[23],1 463 cm-1处的峰与苯环上的侧链氢有关[24]。对于单次处理,4 h时即可观察到样品在1 595、1 509、1 463 cm-13处的峰明显减小,说明在120 ℃的温度下杨木粉中的木质素可以在较短的时间内被提取出来;另外随着反应时间的延长峰强无明显变化,表明延长反应时间并不能进一步分离木质素。DES逐步升温多级处理时,随着处理次数的增加可以观察到这3处峰的峰强逐渐减弱,说明残留物中木质素含量逐渐减少。值得注意的是,相较于单次处理,3次处理后1 509 cm-1处的峰几乎完全消失,说明逐步升温多级处理可以将富纤维素残留物中的木质素含量降至更低水平。综上,FT-IR结果证明了DES逐步升温多级处理可以有效分离木质素,同时保留纤维素。
图3 DES处理前后杨木粉红外光谱
Fig.3 FT-IR spectra of poplar wood powder before and after DES treatment
由图4可知,杨木粉原料主要在16 °、22.4 °和34.5 ° 处出现了衍射峰,分别对应杨木粉中纤维素的(110)、(200)和(040)晶面,属于典型的天然Ⅰ型纤维素[25]。经过DES处理之后衍射峰的峰形及角度均未发生改变,说明DES处理不会改变纤维素的晶型。为了准确评估DES处理过程中纤维素的变化,根据衍射图计算了ICr值。杨木粉原料的ICr为56.82%,经过DES处理后由于木质素、半纤维素等非晶组分的去除,固体残留物ICr均高于原料。在单次处理过程中,生物质样品的ICr在4 h时达到最高(68.58%).随着反应时间的继续延长,ICr逐渐降低至67.08%,说明过长的反应时间可能会破坏纤维素的晶体结构。在逐步升温多级处理过程中,首次处理后样品的ICr较原料略微提升至59.69%,富纤维素残留物再经100 ℃处理后样品的ICr显著提升至69.04%,高于不同时间段的单次处理后的ICr,但反应所需要的温度更低。值得注意的是,在第三次处理后,样品ICr值并未明显降低,与120 ℃、12 h的单次处理相比,逐步升温多级处理可以很好地保留高结晶度的纤维素。XRD分析结果证明,逐步升温多级处理对纤维素的破坏更小,得到的富纤维素残留物结晶度更高,有利于后续纤维素基产品(例如纤维素纤维、纳米纤维素等[26])的开发。
图4 DES处理前后杨木粉的(a)X射线衍射图与(b)结晶度变化
Fig.4 (a) XRD patterns and (b) crystallinity changes of poplar wood powder before and after DES treatment
利用SEM观察了杨木粉原料以及不同方式处理后固体残留物表面特性的变化,结果如图5所示。杨木粉原料表面结构光滑致密,内部纤维束被半纤维素和木质素紧紧包裹,这会限制纤维素在化学反应中的转化。经过DES处理后,生物质表面变得松散粗糙,内部纤维逐渐暴露出来。对于120 ℃ DES单次处理,反应后生物质样品表面发生严重变形,且不同处理时间的生物质样品差异较小,表明高温处理对生物质的破坏作用更强。而对于逐步升温多级处理,80 ℃下首次处理后生物质变化较小,表面仅略微被破坏。随着处理次数的增加以及处理温度的提高,DES对生物质的破坏程度逐渐加剧。结合前面固体残留物结构与组分分析结果,SEM进一步证明了多级处理过程中生物质中的组分逐步被提取出来。
图5 DES处理前后杨木粉的扫描电镜图像
Fig.5 SEM images of poplar wood powder before and after DES treatment
通过GPC分析评估不同条件下DES处理再生木质素样品的数均分子量(Mn)与重均分子量(Mw).如图6所示,在DES逐步升温多级处理过程中,首次处理后得到的再生木质素分子量较大,这可能是由于反应条件较为温和,DES对木质素的破坏较小;随着处理次数的增加以及反应温度的提高,再生木质素的Mn和Mw分别由3 790 g/mol降低至610 g/mol和由6 380 g/mol降低至1 030 g/mol.随着反应条件的加剧,木质素中的化学键逐渐断裂,木质素的解聚程度增加,因此分子量降低[27]。多分散指数(Mw/Mn,PDI)可以用来描述木质素分子量的均一性,PDI越低则木质素分子量分布越均匀,而木质素的再聚合会导致PDI增加[28]。逐步升温多级处理后的木质素分子量的PDI均小于2,说明再生的木质素具有较窄的分子量分布,木质素均一性较好。在DES单次处理过程中,再生木质素在反应时间为8 h时达到最小分子量,Mn和Mw分别为840 g/mol和1 950 g/mol,略高于3次处理后得到的木质素。随着反应时间的延长,木质素分子量有所提升。另外,单次处理过程中不同时间段得到的木质素的PDI均明显高于逐步升温多级处理得到的木质素,说明单次处理所得到的木质素分子量分布不均匀,木质素溶解过程中可能发生了再聚合[16]。GPC的分析结果表明逐步升温多级处理相较于单次处理可以更好地解聚木质素,同时避免木质素的再聚合。
图6 不同条件下DES再生木质素分子量分布
Fig.6 Molecular weight distributions of DES regenerated lignin under different conditions
本研究提出了一种通过DES逐步升温多级处理高效分离杨木粉中木质素的方法,讨论了处理条件对生物质分离后纤维素结构及再生木质素分子量的影响,为进一步提高DES在温和条件下对木质素选择性溶解提供了新的思路。经过80-100-120 ℃三次处理后,杨木粉中木质素最大提取率为89.6%,相比于120 ℃、12 h单次处理的木质素提取率提高22.2%.FT-IR、XRD、SEM以及GPC等测试结果表明,逐步升温多级处理可以有效分离木质素,同时避免溶解木质素的再聚合,实现高结晶度的纤维素的纯化,有利于木质纤维素不同组分的分级利用。
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