纤维素及半纤维素水解技术的探索
生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，其中，纤维素和半纤维为糖的聚合物，能够水解产生糖类，从而进一步生产各种有用的化学品。因此，纤维素和半纤维素的水解对生物质的充分利用来说是非常重要的。本论文分别以结晶纤维素和玉米芯为例研究了纤维素和半纤维素的水解技术。由于玉米芯中富含大量半纤维素，因此玉米芯的水解代表了半纤维素的水解。
在研究纤维素的水解时，本论文采用了碳基固体酸和磷钨酸两种固体酸作催化剂。
碳基固体酸的制备经历了碳化和磺化两个反应阶段。在碳化阶段，将适量的结晶纤维素置于管式炉中，并使其在有N2气流的条件下在450℃反应5 h制得活性炭；在磺化阶段，准确称取1.5 g碳化得到的活性碳，浸入30 ml发烟硫酸中，置于150℃烘箱，反应过夜。然后用温度在80℃以上的去离子水将带有磺酸基的活性炭颗粒洗至洗液中检测不到SO42-，然后将洗好的黑色粉末置于105℃烘箱中烘干至恒重，待用。结果表明，在微波加热的条件下，当反应温度为140℃，反应时间为2 h时，葡萄糖得率最高，达到了33％。
当采用磷钨酸作催化剂时，结果表明，在微波加热条件下，当磷钨酸溶液的浓度为88％，反应温度为90℃，反应时间为3 h，葡萄得率高达84%，纤维素转化率高达96%。反应结束后，利用乙醚萃取法将磷钨酸回收进行重复利用，回收率为85％。回收后经第二次利用时，在同样的反应条件下，葡萄糖得率为66%，当进行第三次重复利用时，葡萄糖得率仅为48％。结果表明，磷钨酸是一种进行纤维素水解的高效催化剂，而且可以重复利用。
在研究玉米芯的水解时，本论文采用了甲酸作催化剂。其原因在于甲酸作为一种有机溶剂，沸点低，容易回收，可以循环使用降低生产成本。结果表明，当甲酸浓度为60%，反应温度为100℃，反应时间为120 min时，在微波加热的条件下木糖得率最高达到96%，但是，在同样的条件下，当采用传统油浴加热时，木糖得率仅有75％。说明微波加热可以缩短反应时间，提高反应效率。另外，研究发现在相同的甲酸浓度(60％)、反应温度(100℃)下，反应时间为150 min时，在微波加热的条件下，木质素的脱除率达到最高，为72％，但是在相同条件下采用传统油浴加热时，木质素的脱除率仅为32%。因此，甲酸有利于木质素的脱除，当甲酸和微波相结合时，脱除效果更好。
本文主要研究了纤维素和半纤维素水解的各种技术，对于生物质的充分利用，乃至解决能源危机、环境污染，保持社会的可持续发展具有非常深远的意义。
纤维素;半纤维素;固体酸;水解工艺;催化剂
中国海洋大学
硕士
化学工程
李春虎
2012
中文
TQ352
68
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）