生物质中木质素与纤维素在离子液体中的有效分离及其活性结构损失评析

According to the development trend of the pulping and paper-making industry and the strategy of construction and environment-friendly society in China, aimed to make full use of biomass resources,the project concentrated on the study of effective seperation of lignin from cellulose in bioresources under the premise of the minimized lignin functional structures loss in ionic liquids. Dissolved selectivity for lignin and cellulose in biomass resources in different ionic liquids and the original structure of lignin and morphology would be researched with the analytical method of instantaneous high-temperature pyrolysis gas chromatography mass spectrometry (Pyrolysis-GCMS to), the basic structures and the key activity bonds of the lignin would also be analyzed. The influences and the regulatory mechanisms of different anion and cation types or functional groups or substituents on the activity structure of lignin, the disolved behavior and mechanisms of lignin and LCC in the ionic liquids would be illustrated, On the base of aboved research, the ionic liquid system with a high selectivity for lignin and cellulose would be achieved as a green new seperation method. The research results would play a very important role in accumulation of knowneledge maximum use of biomass resources.

本项目根据制浆造纸工艺的前沿发展趋势和我国建设环境友好型社会的战略要求，以生物质资源最大化利用为最终目的，在木质素功能结构损失最小化前提下，致力于研究木质素和纤维素在离子液体中的有效分离。研究不同离子液体对生物质资源中木质素和纤维素的溶解选择性，并结合瞬时高温热解气相色谱质谱联用（Pyrolysis-GCMS）技术研究木质素的原生结构形态，解析木质素的原生存在形态和关键活性结构基础科学问题，阐述离子液体不同阴阳离子官能团种类及取代基对木质素活性结构的影响及调控机制，重点研究木质素及木质素与碳水化合物之间的链接LCC在不同离子液体中溶解行为及机理，合成获得对木质素和纤维素具有高选择性的离子液体溶解体系，形成有效的实现木质素与纤维素分离的绿色新方法。研究结果将为生物质资源利用最大化提供必要的基础数据和科学理论指导，具有重要的理论研究价值和应用前景。

为寻求高效分离生物质中木质素和纤维素绿色新方法，针对离子液体的结构可设计性特点，合成了磷酸酯基咪唑类离子液体1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯 [Mmim]DMP并对合成工艺进行优化。应用红外光谱、NMR、扫描电镜SEM及各种分析方法和手段探讨了不同生物质纤维原料桉木、芒杆、蔗渣和烟草废弃物烟梗烟末在离子液体中的常规溶解过程，发现[MMIM]DMP离子液体中纤维素、半纤维素和木质素三种成分都有不同程度的溶解，只用[MMIM]DMP离子液体溶解无法分离得到单一的木质素，但能有效降低桉木和芒杆这种细胞结构完整原料的木质素含量，起到一定的生物质分离效果。.以提高生物质全组分溶解率为目的，对离子液体溶解桉木和烟梗进行了微波辅助强化的探讨，并对微波辅助强化溶解条件进行了正交优化设计，得到优选溶解方案。并通过SEM、X-RD、FT-IR、TG等进行分析，发现溶解过程中三大组分的变化规律。最后分别以桉木片和烟梗浆料为原料，[Mmim]DMP为溶剂对浆料进行制浆前离子液体预处理，进行硫酸盐法制浆实验、打浆度测试以及对制得的原浆和打浆后的浆纤维形态观察和扫描电镜观察，并对成纸性能指标进行测定，综合评价离子液体预处理效果，发现 [Mmim]DMP对桉木粉的溶解是采用层层渗透、由外及里的方式逐渐破坏木质纤维的整体结构。溶解后纤维素的结晶规整性变差，相对结晶度降低，晶型由I型转变为无定形。木粉发生了降解，且溶解率越高降解程度越大。离子液体处理后浆样性能获得了较大提升，纸张性能中以耐破度、耐折度和抗张强度提升最为明显。研究结果为生物质资源利用最大化提供必要的基础数据和科学理论指导，具有重要的理论研究价值和应用前景。