分离强化技术
总氢键增强促进秸秆中木质素选择性脱除的绿色方法
 最后更新:2020-12-02  作者:离子液体与绿色工程研究部  浏览:248次

  木质纤维素作为一种富含碳水化合物的可再生资源,其在生产绿色燃料、化学品和材料等方面具有巨大潜力。但其结构复杂,分子和分子间相互作用力强,利用难度大。因此,在其利用之前,通常需要进行预处理。目前,木质纤维素的预处理已经获得了广泛的研究,主要包括物理法、化学法和生物法等。但效率低、效益差、环境不友好、不可持续等问题始终是当前生物质预处理面临的主要挑战。离子液体作为传统有机溶剂的替代溶剂,尽管对木质纤维素有良好的溶解性,但其毒性、生物降解性差和高成本是其工业应用的限制因素。近年来,一系列低成本、绿色、易合成的功能化质子型离子液体的开发利用,为离子液体预处理木质纤维素的工业化提供了可能。但是,由于其大多是亲水性的,在阳离子和阴离子之间能够形成很强的氢键,导致它们粘度高,特别是在预处理生物质时,体系粘度显著增加。这对预处理的过程和后续的离子液体循环再生造成一系列的不利影响。
  中国科学院过程工程研究所离子液体研究团队根据木质纤维素预处理过程中,离子液体与木质素之间氢键的数量和强度将影响预处理效果的特性,提出了通过增强预处理体系中离子液体与木质素的总氢键,并同时降低体系粘度来实现选择性促进秸秆中木质素脱除的新方法。该方法(见图1)通过使用选定的高沸醇作为共溶剂与质子型离子液体相结合对秸秆进行预处理,实验结果表明,加入高沸醇后,预处理成本和黏度降低,同时离子液体的预处理效率得到了提高,尤其是木质素去除率(图2b),随着烷基链长度的降低,共溶剂体系中木质素去除率提升。其中,乙二醇的促进效果最好,可使木质素去除率从81.2%(纯离子液体预处理)提高到95.2%。在此基础上,进一步研究了温度、时间、浓度对木质素选择性移除的影响,并利用一系列表征和模拟分析,提出了该共溶剂体系通过提高离子液体与木质素和溶剂与木质素形成的总氢键的数量及强度的增加促进了木质素溶出和分离的可能机制(见图3),即在分离过程中离子液体和溶剂共同与木质素作用的结果。
  该项工作采用了绿色高效经济的预处理方法,不仅提高了预处理的效果,同时还解决了离子液体预处理秸秆中粘度高、操作困难、循环不易、降低成本等问题,为大规模可持续生物质预处理提供了可能。

图1. 增强预处理体系中总氢键实现高选择性秸秆木质素脱除的流程图

图2. a. 共溶剂种类对富含纤维素部分的影响; b. 共溶剂种类对秸秆溶出率和木质素去除率的影响

图3. 增强总氢键促进木质素选择性脱除的可能机理

 

 

 

原文链接:

https://doi.org/10.1039/d0gc02319a

文章信息:

Yongqing Yang, Shaoqi Yang, Xiaoqian Yao, Ying Kang, Jiayu Xin, Ibrahim El-Tantawy El-Sayed, Junli Xu and Xingmei Lu*, A renewable co-solvent promoting the selective removal of lignin by increasing the total number of hydrogen bonds, Green Chemistry, DOI: 10.1039/d0gc02319a