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木质资源的绿色炼制研究新进展:微波结合低共熔溶剂的超快速炼制策略

木质资源的绿色炼制研究新进展:微波结合低共熔溶剂的超快速炼制策略

在全球关注可持续资源和能源发展的背景下,随着石油等资源的日益枯竭以及消耗非可再生化石能源所带来的温室效应,以可持续的生物质资源作为替代物来提供石油工业化学品和能源日益被重视。在诸多生物质资源中,木质资源在生物质资源中所占比例最大,包含木材、农作物秸秆和其它植物。木质资源主要是由纤维素,半纤维素和木质素三大组分组成,它们之间以共价键和氢键形成复杂的“生物质抗降解屏障”。因此,节能和环境友好地打破“生物质抗降解屏障”并进行组分分离是木质资源高效和高附加值炼制的关键。

近日,东北林业大学材料科学与工程学院(生物质材料科学与技术教育部重点实验室)于海鹏课题组采用微波结合新型低共熔溶剂的策略实现了木质资源结构的超快速裂解和组分分离。低共熔溶剂是由两种或以上氢键供/受体通过氢键作用彼此形成共晶混合物,在低温或室温下呈现液态的一类富含离子的溶剂。低共熔溶剂除了在金属处理、生物活性物质提取、有机合成及生物转化方面得以应用,在生物质聚合物功能化及精细化处理方面也展现出巨大的应用潜力。以刘永壮为第一作者的这项研究探索了一种由可持续资源氯化胆碱和水合草酸合成的低熔点性绿色低共熔溶剂,具有原料丰富、合成方法简单、成本低、原子经济性高、无毒性、蒸汽压低和无闪爆危险等技术应用特点。该溶剂具有离子液体和有机溶剂的双重特性,Kamlet-Taft溶剂显色化参数测试表明其氢键酸度值为1.31,极化指数值为1.07。二维核磁测试证明该溶剂对“生物质抗降解屏障”即木质素-碳水化合物复合体(LCC)的键合结构具有较强的质子竞争能力和消除效果。

木质资源的绿色炼制研究新进展:微波结合低共熔溶剂的超快速炼制策略

LCC侧链区和芳环区的二维核磁图谱(a,b)磨木木质素作为对照样;(c,d)油浴加热低共熔处理;(e,f)微波加热低共熔处理


在不添加催化剂的情况下,利用该溶剂以80℃加热和800W微波辐照的条件处理仅3分钟,就可实现木质素和半纤维素的高效溶解。该过程中纤维素作为不溶产物容易分离,且纯度高、结晶度高、聚合度低,可进一步直接制备纳米纤维素或纤维素基化学品和能源。此外,该低共熔溶剂对木质素组分有一定的解聚作用,尤其对木质素内部的化学键如芳基醚键有选择性断裂作用。分离出的木质素低聚物具有分子量低(~913)、多分散系数低(1.25)和纯度高(~96%)的特点,显示出进一步加工利用生产芳香族化合物单体或碳纤维的潜力。溶解液同时还有含量相对较高的葡萄糖、木糖和羟甲基糠醛,展现出无定形纤维素解聚、半纤维素转化和溶解液原位直接转化为碳材料的潜力。处理后的低共熔溶剂易于回收,并可再次使用。因此,这项工作带来一种绿色和超快速炼制生物质的新的视角,有助于提高生物质资源整体利用的经济性。

木质资源的绿色炼制研究新进展:微波结合低共熔溶剂的超快速炼制策略

 

相关工作发表在ChemSusChem. doi: 10.1002/cssc.201601795

作者:Yongzhuang Liu, Dr. Wenshuai Chen, QinqinXia, Bingtuo Guo, Prof. Qingwen Wang, Prof. Shouxin Liu, Prof. Yixing Liu, Prof.Jian Li and Prof. Haipeng Yu*

 

原文链接如下,或直接点击最下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201601795/full



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