榮亞運(yùn)，師林麗，張晨，鄒麗花，徐穎，朱均均,，陳麗瑋，徐勇,，勇強(qiáng)，余世袁,（南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 007；江蘇省生物質(zhì)綠色燃料與化學(xué)品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 007；南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 007）

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熱活化過(guò)硫酸鹽氧化去除木質(zhì)素降解產(chǎn)物

榮亞運(yùn)1，師林麗1，張晨1，鄒麗花1，徐穎1，朱均均1,2，陳麗瑋3，徐勇1,2，勇強(qiáng)1，余世袁1,2
（1南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2江蘇省生物質(zhì)綠色燃料與化學(xué)品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037；3南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037）

摘要：針對(duì)生物乙醇生產(chǎn)過(guò)程中木質(zhì)素降解產(chǎn)物對(duì)乙醇發(fā)酵的抑制作用，選取6種典型木質(zhì)素降解產(chǎn)物（香草醛、紫丁香醛、4-羥基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸和4-羥基苯甲酸）為研究對(duì)象，采用新型脫毒技術(shù)——熱活化過(guò)硫酸鹽高級(jí)氧化技術(shù)氧化脫除，研究了氧化去除條件及其氧化機(jī)理。結(jié)果表明，以0.1 g·L?1的香草醛為代表物質(zhì)，其最優(yōu)氧化條件為：pH 6.0，溫度80℃，過(guò)硫酸鹽濃度1.5 g·L?1。在此優(yōu)化條件的基礎(chǔ)上，研究其他5種典型木質(zhì)素降解產(chǎn)物的氧化效果。結(jié)果表明熱活化過(guò)硫酸鹽氧化木質(zhì)素降解產(chǎn)物的效果顯著，香草醛、4-羥基苯甲醛、香草酸、4-羥基苯甲酸和紫丁香酸的去除率在1 h內(nèi)均達(dá)到100%，紫丁香醛的去除率在2 h內(nèi)也達(dá)到100%。熱活化過(guò)硫酸鹽氧化機(jī)理主要是通過(guò)投加自由基捕獲劑甲醇和叔丁醇間接判定在反應(yīng)過(guò)程中的主要活性物種，結(jié)果表明在反應(yīng)中起到主要作用的活性物種是硫酸根自由基。因此，熱活化過(guò)硫酸鹽可以很好地氧化去除木質(zhì)素降解產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；生物燃料；熱活化；過(guò)硫酸鹽；木質(zhì)素降解產(chǎn)物；高級(jí)氧化技術(shù)

2015-12-02收到初稿，2016-01-25收到修改稿。

聯(lián)系人：朱均均。第一作者：榮亞運(yùn)（1990—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-12-02.

Foundation item: supported by the National Key Technology Research and Development Program of China (2015BAD15B09), the Graduate Research and Innovation Plan of Jiangsu Province (SJLX15_0405) and the Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD).

引　言

采用豐富的可再生生物資源木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)具有應(yīng)用前景的生物質(zhì)液體燃料（如燃料乙醇、生物柴油、烴類燃料等）是目前世界各國(guó)應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)的重要方法。當(dāng)前主導(dǎo)生物質(zhì)液體燃料市場(chǎng)的是轉(zhuǎn)酯化和發(fā)酵生產(chǎn)的生物柴油和燃料乙醇[1-2]。然而在生物質(zhì)液體燃料的生產(chǎn)中，涉及原料的預(yù)處理技術(shù)，而在預(yù)處理過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生一些抑制物（碳水化合物降解產(chǎn)物、木質(zhì)素降解產(chǎn)物等），不利于生物質(zhì)液體燃料的生產(chǎn)。因此，去除這些抑制物即“脫毒”是降低木質(zhì)纖維制取生物質(zhì)液體燃料成本的基本手段之一[3-5]。研究者們針對(duì)上述兩大類的抑制物進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。其中，對(duì)碳水化合物降解產(chǎn)物的抑制機(jī)理和去除方法研究得比較清楚[6-10]，而對(duì)木質(zhì)素降解產(chǎn)物，由于其成分復(fù)雜、含量低，對(duì)微生物的抑制作用還不是很清楚，有文獻(xiàn)報(bào)道其抑制作用主要體現(xiàn)在進(jìn)入生物膜以后會(huì)造成膜的整體性破壞，從而影響膜作為選擇性屏障和酶基質(zhì)的作用[11]。并有研究表明，相對(duì)分子質(zhì)量小的酚類化合物毒性最大[4]。因此，研究抑制物的重點(diǎn)集中在木質(zhì)素降解產(chǎn)物上。關(guān)于脫毒的方法有很多，包括物理法、化學(xué)法、生物法和結(jié)合法等[12-17]，但針對(duì)木質(zhì)素降解產(chǎn)物的去除方法卻很少。故本文研究一種有效去除木質(zhì)素降解產(chǎn)物的方法。

由于木質(zhì)素降解產(chǎn)物大多屬于單酚類化合物，與環(huán)境工程領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的用于含酚廢水處理的高級(jí)氧化技術(shù)具有一定的相似性。又因?yàn)間表現(xiàn)出比OHg更好的氧化特性[18]，因此，本研究采用基于g的新型高級(jí)氧化技術(shù)處理木質(zhì)素降解產(chǎn)物。而基于g的高級(jí)氧化技術(shù)用于木質(zhì)纖維原料中木質(zhì)素降解產(chǎn)物的降解方面尚未見(jiàn)報(bào)道。Silva等[19]研究了稻草秸稈半纖維素水解液的高級(jí)氧化脫毒，比較了Fe2+、H2O2、紫外線、臭氧和pH等不同配比條件對(duì)木質(zhì)素降解產(chǎn)物的去除效果，結(jié)果表明乙醇發(fā)酵性能與未脫毒的相比大幅度提高。Soudham等[20]采用Fenton試劑（Fe2++ H2O2）對(duì)酸預(yù)處理云杉水解液進(jìn)行脫毒改善酶水解和發(fā)酵，結(jié)果表明經(jīng)140 mg·L?1Fe2++ 5100 mg·L?1H2O2處理后，乙醇濃度從0.4 g·L?1提高到8.3 g·L?1，說(shuō)明Fenton試劑能夠改善水解液的乙醇發(fā)酵能力。雖然Fenton試劑產(chǎn)生的活性物種OHg對(duì)木質(zhì)素降解產(chǎn)物的去除有較好的效果，但其應(yīng)用pH狹窄（主要在3左右）。而SO4?g在pH 7左右的時(shí)候仍有較強(qiáng)的活性。g一般通過(guò)活化過(guò)硫酸鹽（）的方式產(chǎn)生，活化方式主要有加熱[21]、過(guò)渡金屬催化[22]、微波加熱[23]、紫外輻射[24]等。本研究選擇熱活化過(guò)硫酸鹽氧化典型木質(zhì)素降解產(chǎn)物，重點(diǎn)研究了氧化條件的優(yōu)化、優(yōu)化條件下對(duì)典型木質(zhì)素降解產(chǎn)物的去除效果以及氧化過(guò)程中自由基的測(cè)定。該研究為木質(zhì)纖維原料預(yù)水解液中木質(zhì)素降解產(chǎn)物的去除提供一種新方法。

1　材料與方法

1.1材料

1.1.1儀器SHA-C型恒溫振蕩器（常州國(guó)華電器有限公司）、BS210s四位天平（北京賽多利斯天平有限公司）、FE20 pH計(jì)（美國(guó)METTLER TOLEDO公司）和Agilent 1100高效液相色譜儀（美國(guó)Agilent公司）等。

1.1.2試劑香草醛、紫丁香醛、4-羥基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸、4-羥基苯甲酸均購(gòu)于上海Sigma-Aldrich公司；過(guò)硫酸銨，分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甲醇，色譜純，購(gòu)于默克股份公司；叔丁醇，分析純，購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司；冰乙酸，分析純，購(gòu)于南京化學(xué)試劑有限公司。

1.1.3儲(chǔ)備液的配制分別準(zhǔn)確稱取香草醛、紫丁香醛、4-羥基苯甲醛、香草酸、紫丁香酸和4-羥基苯甲酸各0.1 g于燒杯中，加入煮沸后冷卻的蒸餾水溶解，然后用100 ml容量瓶分別定容、搖勻后，即配得6種木質(zhì)素降解產(chǎn)物的濃液（1.0 g·L?1）；同樣，準(zhǔn)確稱取過(guò)硫酸銨1.5 g于燒杯中，加入煮沸后冷卻的蒸餾水溶解，然后用100 ml容量瓶定容、搖勻后，即配得過(guò)硫酸銨儲(chǔ)備液（15.0 g·L?1）。

1.2方法

1.2.1熱活化過(guò)硫酸鹽氧化木質(zhì)素降解產(chǎn)物熱活化過(guò)硫酸鹽氧化反應(yīng)是在SHA-C型恒溫振蕩器中進(jìn)行，設(shè)定振蕩頻率150 r·min?1。在125 ml錐形瓶中，加入5 ml的1 g·L?1香草醛濃液和一定體積的水，并采用氫氧化鈉或硫酸調(diào)節(jié)至不同的pH （3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0），使其體積定容為45 ml。在設(shè)定的溫度（50、60、70、80、90℃）下，預(yù)熱10 min后快速加入已配制好的過(guò)硫酸銨儲(chǔ)備液5 ml，啟動(dòng)反應(yīng)并開(kāi)始計(jì)時(shí)。每隔一定時(shí)間（0、10、20、30、60、90、120、150、180 min）取1 ml樣品于1.5 ml的離心管中，并加入50 μl的甲醇作為終止劑終止反應(yīng)。將取出的樣品經(jīng)孔徑為0.22 μm的濾膜過(guò)濾后放入液相小瓶中，采用反相高效液相色譜法（R-HPLC）測(cè)定其濃度，按文獻(xiàn)[25]進(jìn)行。每個(gè)實(shí)驗(yàn)做雙平行。

1.2.2自由基活性物種的測(cè)定自由基活性物種的測(cè)定是在SHA-C型恒溫振蕩器中進(jìn)行，設(shè)定振蕩頻率150 r·min?1。在125 ml錐形瓶中，加入5 ml 的1 g·L?1香草醛濃液、7 ml的甲醇或15 ml的叔丁醇和一定體積的水，并采用氫氧化鈉或硫酸調(diào)節(jié)pH為6.0，使其體積定容為45 ml。反應(yīng)溫度設(shè)定為80℃，預(yù)熱10 min后快速加入已配制好的過(guò)硫酸銨儲(chǔ)備液5 ml，啟動(dòng)反應(yīng)并開(kāi)始計(jì)時(shí)。每隔一定時(shí)間（0、10、20、30、60、90、120、150、180 min）移取1 ml樣品于1.5 ml的離心管中，將取出的樣品經(jīng)孔徑為0.22 μm的濾膜過(guò)濾后放入液相小瓶中，采用反相高效液相色譜法（R-HPLC）測(cè)定其濃度，按文獻(xiàn)[25]進(jìn)行。每個(gè)實(shí)驗(yàn)做雙平行。

1.2.3分析方法6種典型木質(zhì)素降解產(chǎn)物（4-羥基苯甲酸、香草酸、紫丁香酸、4-羥基苯甲醛、香草醛和紫丁香醛）的定量分析在美國(guó)Agillent 1100型高效液相色譜儀上進(jìn)行。采用反相高效液相色譜（R-HPLC）法，外標(biāo)法測(cè)定[25]。色譜條件：Zorbax Eclipse XDB-C18色譜柱（4.6 mm×250 mm）；進(jìn)樣量10 μl；柱溫30℃；流動(dòng)相為水（含1.5%乙酸，體積分?jǐn)?shù)）:乙腈= 95:5，流速為0.8 ml·min?1，254 和280 nm紫外檢測(cè)，梯度洗脫。

1.2.4木質(zhì)素降解產(chǎn)物去除率的計(jì)算計(jì)算木質(zhì)素降解產(chǎn)物去除率（RE）

式中，Ci為木質(zhì)素降解產(chǎn)物的初始濃度；Cf為氧化反應(yīng)后木質(zhì)素降解產(chǎn)物的濃度。

2　結(jié)果與討論

2.1熱活化過(guò)硫酸鹽氧化香草醛的條件優(yōu)化

首先選取香草醛作為條件優(yōu)化的代表物質(zhì)。選擇的主要原因有以下兩點(diǎn)：一是根據(jù)它的自身結(jié)構(gòu)具有代表性，含有1個(gè)甲氧基、1個(gè)羥基和1個(gè)醛基；二是香草醛作為抑制物的毒性相比其他幾種物質(zhì)要大。條件優(yōu)化的結(jié)果如下。

2.1.1溶液pH的影響反應(yīng)在125 ml錐形瓶中進(jìn)行，反應(yīng)液總體積為50 ml，其中香草醛濃度為0.1 g·L?1，過(guò)硫酸銨濃度為1.5 g·L?1，反應(yīng)溫度為70℃，在不同pH（3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0）條件下，置于振蕩頻率150 r·min?1的恒溫振蕩器內(nèi)反應(yīng)3 h。每隔一定時(shí)間（0、10、20、30、60、90、120、150、180 min）取樣1 ml采用R-HPLC進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算抑制物去除率來(lái)確定反應(yīng)最佳pH，其結(jié)果如圖1所示。

圖1　pH對(duì)熱活化過(guò)硫酸鹽氧化去除香草醛的影響Fig.1　Effect of pH on oxidation removal of vanillin by heat-activated persulfate

由圖可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，香草醛的去除率隨之增加。在pH 3.0～8.0內(nèi)反應(yīng)3 h，香草醛的去除率均達(dá)到90%以上，并且不同pH之間的去除率變化差異較小，即pH的變化總體上對(duì)熱活化過(guò)硫酸鹽氧化去除香草醛的影響并不明顯。但是從圖中可以發(fā)現(xiàn)，酸性條件下的反應(yīng)要優(yōu)于堿性條件下的反應(yīng)。據(jù)文獻(xiàn)[26]報(bào)道，過(guò)硫酸根離子非催化反應(yīng)的活化能為33.5 kcal（1 cal= 4.18 J），而酸催化反應(yīng)的活化能為26.0 kcal。與所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，酸性條件下更加有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行?？紤]到后續(xù)的發(fā)酵過(guò)程，發(fā)酵液的pH為6.0，所以選擇pH 6.0作為最佳反應(yīng)pH。

2.1.2反應(yīng)溫度的影響反應(yīng)在125 ml錐形瓶中進(jìn)行，反應(yīng)液總體積為50 ml，其中香草醛濃度為0.1 g·L?1，過(guò)硫酸銨濃度為1.5 g·L?1，pH為6.0，在不同溫度（50、60、70、80、90 ℃）條件下，置于振蕩頻率150 r·min?1的恒溫振蕩器內(nèi)，反應(yīng)3 h。每隔一定時(shí)間（0、10、20、30、60、90、120、150、180 min）取樣1 ml采用R-HPLC進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算抑制物去除率來(lái)確定最佳反應(yīng)溫度，其結(jié)果如圖2所示。

圖2　溫度對(duì)熱活化過(guò)硫酸鹽氧化去除香草醛的影響Fig.2　Effect of temperature on oxidation removal of vanillin by heat-activated persulfate

由圖可以看出，在實(shí)驗(yàn)溫度50～90℃范圍內(nèi)，反應(yīng)3 h，香草醛的去除效率隨溫度的變化呈現(xiàn)顯著的差異性。隨著溫度的不斷升高，去除率和去除速率不斷增加。在溫度為80℃時(shí)，反應(yīng)1 h，香草醛的去除率達(dá)到100%，而溫度為90℃時(shí)則只需20 min，香草醛的去除率就達(dá)到100%。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度對(duì)過(guò)硫酸銨分解產(chǎn)生SO4?g的影響很大，反應(yīng)溫度越高，吸收的能量越多，O O鍵越容易斷裂，產(chǎn)生的硫酸根自由基越多，對(duì)氧化去除效果越好[27]。但綜合考慮去除率、去除速率和能量消耗等因素，選擇80℃作為最佳反應(yīng)溫度。

2.1.3過(guò)硫酸鹽濃度的影響反應(yīng)在125 ml錐形瓶中進(jìn)行，反應(yīng)液總體積為50 ml，其中香草醛濃度為0.1 g·L?1，pH為6.0，溫度為80℃，過(guò)硫酸銨濃度選取依次為0.375、0.75、1.50、2.25、3.00 g·L?1，置于振蕩頻率150 r·min?1的恒溫振蕩器內(nèi)，反應(yīng)3 h。每隔一定時(shí)間（0、10、20、30、60、 90、120、150、180 min）取樣1 ml采用R-HPLC進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算抑制物去除率來(lái)確定反應(yīng)最佳過(guò)硫酸銨濃度，其結(jié)果如圖3所示。

圖3　過(guò)硫酸鹽濃度對(duì)熱活化過(guò)硫酸鹽氧化去除香草醛的影響Fig.3　Effect of ammonium sulfate concentration on oxidation removal of vanillin by heat-activated persulfate

由圖可以看出，過(guò)硫酸銨在實(shí)驗(yàn)濃度（0.375～3.00 g·L?1）范圍內(nèi)，反應(yīng)3 h，香草醛的去除效率隨過(guò)硫酸銨濃度的變化也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。隨著過(guò)硫酸銨濃度的增加，去除率和去除速率也相應(yīng)增加。在過(guò)硫酸銨濃度為0.375 g·L?1時(shí)，反應(yīng)3 h，去除率僅為78%；當(dāng)濃度增加到0.75 g·L?1時(shí)，反應(yīng)3 h，去除率達(dá)到99%；當(dāng)濃度達(dá)到1.50 g·L?1時(shí)，僅反應(yīng)1 h，去除率就達(dá)到100%；繼續(xù)增加濃度，去除效率變化不明顯。結(jié)果表明，過(guò)硫酸銨濃度越高，熱活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生的SO4?g濃度越高，因此加快了香草醛的氧化過(guò)程，即氧化去除效率也越高。這與鄧靖等[28]在使用熱活化過(guò)硫酸鹽降解水中卡馬西平時(shí)得到的結(jié)論是一致的。從氧化去除率、去除速率及實(shí)際用量分析，選擇1.50 g·L?1過(guò)硫酸銨濃度作為最佳濃度。

由以上所述可以得出，熱活化過(guò)硫酸鹽氧化香草醛的最優(yōu)條件為：pH 6.0，反應(yīng)溫度80℃，過(guò)硫酸銨濃度1.50 g·L?1。

2.2在最優(yōu)條件下熱活化過(guò)硫酸鹽氧化典型木質(zhì)素降解產(chǎn)物的效果

2.2.1熱活化過(guò)硫酸鹽單獨(dú)氧化3種酚醛類物質(zhì)的效果反應(yīng)在125 ml錐形瓶中進(jìn)行，反應(yīng)液總體積為50 ml，其中3種酚醛類物質(zhì)（香草醛、紫丁香醛、4-羥基苯甲醛）的濃度均為0.1 g·L?1，pH為6.0，反應(yīng)溫度為80℃，過(guò)硫酸銨濃度為1.5 g·L?1，分別置于振蕩頻率150 r·min?1的恒溫振蕩器內(nèi)，反應(yīng)3 h。每隔一定時(shí)間（0、10、30、60、90、120、150、180 min）取樣1 ml采用R-HPLC進(jìn)行分析。其結(jié)果如圖4所示。

圖4　最優(yōu)條件下熱活化過(guò)硫酸鹽氧化去除3種酚醛類物質(zhì)的效果Fig.4　Effect of oxidation removal of three phenolic aldehydes by heat-activated persulfate under optimal conditions

由圖可以看出，在上述最優(yōu)條件下，3種酚醛類物質(zhì)的去除率均隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，但各自增加的速率存在差異，去除速率從大到小依次為：香草醛、4-羥基苯甲醛、紫丁香醛。在反應(yīng)前期去除率增加最快，4-羥基苯甲醛和香草醛在反應(yīng)1 h時(shí)去除率均達(dá)到100%，而紫丁香醛在反應(yīng)進(jìn)行到2 h時(shí)去除率也達(dá)到100%。這說(shuō)明在最優(yōu)條件下，熱活化過(guò)硫酸鹽氧化該3種酚醛類物質(zhì)都有顯著的效果，去除率在反應(yīng)2 h后均達(dá)到100%。并且在反應(yīng)前期去除率增加的最快說(shuō)明前期熱活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生的SO4?g濃度最高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，去除速率逐漸變慢，直到反應(yīng)結(jié)束。

初步分析該3種酚醛類物質(zhì)去除速率不同的原因是由于它們各自的結(jié)構(gòu)差異，其中香草醛的結(jié)構(gòu)中含有1個(gè)甲氧基、1個(gè)羥基和1個(gè)醛基；紫丁香醛的結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)甲氧基、1個(gè)羥基和1個(gè)醛基；而4-羥基苯甲醛結(jié)構(gòu)中不含甲氧基，只有1個(gè)羥基和1個(gè)醛基。研究發(fā)現(xiàn)[29]，不同有機(jī)物與SO4?g的反應(yīng)速率常數(shù)與取代基的Hammett常數(shù)σ線性相關(guān)，這說(shuō)明SO4?g與芳香類化合物主要是通過(guò)電子轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行。SO4?g是親電子基團(tuán)，當(dāng)降解有機(jī)物中含有吸電子基團(tuán)時(shí)，則不利于SO4?g降解反應(yīng)的進(jìn)行；當(dāng)降解有機(jī)物中含有供電子基團(tuán)時(shí)，將會(huì)促進(jìn)有機(jī)物與SO4?g反應(yīng)。由于處在間位的甲氧基的Hammett常數(shù)σ值為正值即表現(xiàn)出吸電子效應(yīng)，所以含有2個(gè)甲氧基的紫丁香醛去除速率最慢。

2.2.2熱活化過(guò)硫酸鹽單獨(dú)氧化3種酚酸類物質(zhì)的效果反應(yīng)在125 ml錐形瓶中進(jìn)行，反應(yīng)液總體積為50 ml，其中3種酚酸類物質(zhì)（香草酸、紫丁香酸、4-羥基苯甲酸）濃度均為0.1 g·L?1，pH為6.0，反應(yīng)溫度為80℃，過(guò)硫酸銨濃度為1.5 g·L?1，分別置于振蕩頻率150 r·min?1的恒溫振蕩器內(nèi)，反應(yīng)1 h。每隔一定時(shí)間（0、5、10、25、30、40、60 min）取樣1 ml采用R-HPLC進(jìn)行分析。其結(jié)果如圖5所示。

圖5　最優(yōu)條件下熱活化過(guò)硫酸鹽氧化去除3種酚酸類物質(zhì)的效果Fig.5　Effect of oxidation removal of three phenolic acids by heat-activated persulfate under optimal conditions

由圖可以看出，在最優(yōu)條件下，反應(yīng)1 h，3種酚酸類物質(zhì)的去除率都隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加，但各自增加的速率存在差異。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)3種酚酸類物質(zhì)的去除率均達(dá)到100%，氧化去除效果顯著，僅反應(yīng)1 h就被完全去除。在反應(yīng)前期香草酸和紫丁香酸的去除率增加最快，僅5 min去除率就增加到50%以上，而4-羥基苯甲酸在反應(yīng)15 min后去除率達(dá)到50%。這說(shuō)明在最優(yōu)條件下，反應(yīng)前期熱活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生的SO4?g濃度最高，氧化反應(yīng)去除速率最快。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，去除速率逐漸變慢，直到反應(yīng)結(jié)束。3種酚酸物質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異應(yīng)該是導(dǎo)致去除速率不同的主要原因。3種酚酸的結(jié)構(gòu)與圖4中對(duì)應(yīng)的3種酚醛的結(jié)構(gòu)基本相似，不同之處僅在于醛基變成了羧基。通過(guò)對(duì)比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，酚醛類物質(zhì)與酚酸類物質(zhì)的主要區(qū)別在于紫丁香醛的去除率達(dá)到100%的時(shí)間為2 h而紫丁香酸只需1 h。這說(shuō)明酚酸類物質(zhì)相比于酚醛類物質(zhì)更易于與SO4?g反應(yīng)。根據(jù)一般醛類物質(zhì)的氧化機(jī)理推斷，可能是酚醛類物質(zhì)首先被氧化為酚酸類物質(zhì)，然后再繼續(xù)參與反應(yīng)，故酚酸類物質(zhì)比酚醛類物質(zhì)少一個(gè)反應(yīng)步驟，導(dǎo)致其去除速率不同。具體的反應(yīng)機(jī)理需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。

2.3在最優(yōu)條件下熱活化過(guò)硫酸鹽氧化香草醛的自由基測(cè)定

反應(yīng)在125 ml錐形瓶中進(jìn)行，反應(yīng)液總體積為50 ml，其中香草醛濃度為0.1 g·L?1，pH為6.0，反應(yīng)溫度為80 ℃，過(guò)硫酸銨濃度為1.5 g·L?1，在反應(yīng)前加入過(guò)量的甲醇或叔丁醇作為自由基的捕獲劑，置于振蕩頻率150 r·min?1的恒溫振蕩器內(nèi)，反應(yīng)3 h。每隔一定時(shí)間（0、10、20、30、40、60、90、120、150、180 min）取樣1 ml采用R-HPLC進(jìn)行分析。利用自由基與特定分子探針（甲醇和叔丁醇）之間的反應(yīng)速率差異來(lái)判斷自由基存在的可能性。向體系中加入過(guò)量的叔丁醇，通過(guò)比較香草醛去除率的變化可以鑒定體系中是否有OHg生成；向體系中加入過(guò)量甲醇，通過(guò)與加入叔丁醇的比較可以排除OHg的影響，從而鑒定體系中是否有SO4?g生成[30]。其結(jié)果如圖6所示。

圖6　最優(yōu)條件下熱活化過(guò)硫酸鹽氧化香草醛的自由基測(cè)定Fig.6　Determination of radical by heat-activated persulfate oxidation of vanillin under optimal conditions

由圖可以看出，在最優(yōu)條件下反應(yīng)3 h，反應(yīng)前加入過(guò)量的甲醇或叔丁醇作為自由基捕獲劑的氧化去除效果存在明顯差異。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[31-32]，甲醇與OHg和的反應(yīng)速率分別為0.8～1.0×109和0.9～1.3×107L·mol?1·s?1，都有較高的反應(yīng)速率；而叔丁醇與OHg的反應(yīng)速率為3.8～7.6×108L·mol?1·s?l，與的反應(yīng)速率為4.0～9.1×105L·mol?1·s?l，約是前者的1/1000。

加入叔丁醇作捕獲劑的數(shù)據(jù)表明，反應(yīng)3 h后，香草醛的去除率維持100%不變，基本沒(méi)有抑制作用，這說(shuō)明反應(yīng)體系中基本不存在OHg；而加入甲醇作捕獲劑的數(shù)據(jù)表明，反應(yīng)3 h后，香草醛的去除率從100%下降到65%，與叔丁醇相比明顯抑制了香草醛的氧化，表明反應(yīng)體系中含有g(shù)。這與Liang等[33]的研究結(jié)果相吻合，他們?cè)跓峄罨^(guò)硫酸鹽的過(guò)程中，采用化學(xué)探針?lè)椒ㄨb別起作用的活性物種。其結(jié)果表明在酸性條件下，pH小于7.0時(shí)，g為主要的活性物種；在pH 9.0條件下，g和OHg同時(shí)存在；在強(qiáng)堿性pH 12.0條件下，OHg為主要活性物種。由此可以斷定在該反應(yīng)過(guò)程中g(shù)起到主導(dǎo)作用，這為深入解釋其反應(yīng)機(jī)制打下基礎(chǔ)。

3　結(jié)　論

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用熱活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生硫酸根自由基氧化典型木質(zhì)素降解產(chǎn)物的效果明顯，是一種較好的脫除木質(zhì)素降解產(chǎn)物的方法。主要研究結(jié)果如下：熱活化過(guò)硫酸鹽產(chǎn)生硫酸根自由基氧化香草醛的最優(yōu)條件為：pH為6.0，溫度為80℃，過(guò)硫酸銨濃度為1.5 g·L?1。在該優(yōu)化條件下，香草醛、4-羥基苯甲醛、香草酸、4-羥基苯甲酸和紫丁香酸的去除率在1 h內(nèi)均達(dá)到100%，紫丁香醛的去除率在2 h內(nèi)達(dá)到100%。對(duì)氧化規(guī)律的研究主要是通過(guò)添加自由基捕獲劑甲醇和叔丁醇間接測(cè)定在反應(yīng)過(guò)程中的主要活性物種，結(jié)果表明起到主導(dǎo)作用的活性物種是SO4?g。確定反應(yīng)活性物種后為下面深入探討反應(yīng)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

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Oxidation of lignin-degradation products by heat-activated persulfate

RONG Yayun1, SHI Linli1, ZHANG Chen1, ZOU Lihua1, XU Ying1, ZHU Junjun1,2, CHEN Liwei3,
XU Yong1,2, YONG Qiang1, YU Shiyuan1,2
(1College of Chemical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China;2Jiangsu Key Laboratory of Biomass-based Green Fuel and Chemicals, Nanjing 210037, Jiangsu, China;3College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

Abstract:Aiming at the effect of lignin-degradation products on ethanol fermentation during the bioethanol production process, six kinds of typical lignin-degradation products (vanillin, syringaldehyde, 4-hydroxybenzaldehyde, vanillic acid, syringic acid and 4-hydroxybenzoic acid) were selected to oxidative removal by a new detoxification technology-advanced oxidation process of heat-activated persulfate. The oxidation removal conditions and its oxidation mechanism were also investigated. The results indicated that the optimal oxidation conditions were pH 6.0, 80℃, and the persulfate concentration of 1.5 g·L?1based on 0.1 g·L?1vanillin. On the basis of the optimized conditions, the oxidation effect of other five of typical lignin-degradation products was studied. The results showed that the effects of oxidation removal were obvious. The removal ratio of vanillin, 4-hydroxybenzaldehyde, vanillic acid and syringic acid reached to 100% within 1 h, while that of syringaldehyde reached to 100% within 2h. The study of oxidative mechanism was to indirectly decide which the main active species was in the reaction process by the addition of radical scavengers of methanol and t-butanol. The results showed that the main active species were sulfate radicals. Therefore, using heat-activated persulfate is a good way for oxidative removal of the lignin-degradation products.

Key words:biomass; biofuel; heat activation; persulfate; lignin-degradation products; advanced oxidation process

中圖分類號(hào)：TQ 353

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）06—2618—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151816

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD15B09）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（SJLX15_0405）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目。

Corresponding author:ZHU Junjun, zhujj@njfu.edu.cn