李媛媛 王傳貴 張雙燕
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院,安徽合肥,230036)
·木素提取·
李媛媛女士,在讀碩士研究生;主要從事生物質(zhì)材料加工及利用方面的研究。
桉木硫酸鹽法制漿黑液木素提取與表征
李媛媛 王傳貴*張雙燕
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院,安徽合肥,230036)
以硫酸法和乙醇硫酸法分別從藍(lán)桉硫酸鹽法制漿黑液中提取木素獲得硫酸木素(SL)和醇酸木素(CSL),通過(guò)元素分析、紅外光譜、紫外光譜、核磁共振氫譜(1HNMR)對(duì)SL和CSL進(jìn)行分析與表征。結(jié)果表明,CSL呈現(xiàn)典型的闊葉材木素特征,主要含愈創(chuàng)木基單元(G)和紫丁香基單元(S),為G-S型木素結(jié)構(gòu);CSL主要連接鍵為β-O- 4、β-1、β-5、β-β,且含有較多的游離羰基、甲氧基和羥基等活性基團(tuán);CSL組成元素主要為C、H、O、N,含量分別為62.55%、5.57%、29.54%、0.15%,其理論分子式為C10H10.68O3.54N0.02;與采用硫酸法從黑液中直接提取的SL相比,CSL的雜官能團(tuán)及雜分子少一些。
硫酸木素;醇酸木素;提?。患t外光譜;核磁共振氫譜
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)硫酸鹽法制漿黑液最直接的利用就是堿回收,回收其中的堿,同時(shí)利用其燃燒產(chǎn)生熱能[1-3]。部分學(xué)者對(duì)黑液其他利用進(jìn)行了研究,王鳳寅等人[4- 6]利用黑液制備水煤漿,徐鴿等人[7]將黑液作為乳化劑對(duì)催化裂解原料重油進(jìn)行摻水乳化。而更多的學(xué)者是從黑液中提取木素加以利用。
木素是可再生的芳香和化學(xué)原料資源,無(wú)論是在材料化工、農(nóng)業(yè)等行業(yè)都有著廣闊的應(yīng)用前景[8]。在高分子材料領(lǐng)域,由于木素結(jié)構(gòu)中存在大量活性基團(tuán)如酚羥基、醇羥基,很多學(xué)者通過(guò)對(duì)木素改性或者用木素改性其他化合物,達(dá)到增強(qiáng)木素活性或者改良其他化合物性能的目的[9-10],如徐若愚等人[11-13]利用黑液木素制備酚醛樹(shù)脂膠黏劑;木素含碳量高,所以有些學(xué)者會(huì)利用其制備成碳纖維[14-16]后再利用。木素主要由C、H元素組成且無(wú)S元素,污染少,其熱值高,因此,在石化領(lǐng)域?qū)⑵湟夯瘉?lái)代替石油做燃料[17],并將木素用作稠油降黏劑[18-19],便于稠油采出。本課題以從桉木硫酸鹽法制漿黑液中提取出來(lái)的木素為研究對(duì)象,在傳統(tǒng)酸提取木素的工藝步驟中加了一步乙醇處理黑液的步驟,通過(guò)分析提取木素的組成元素及結(jié)構(gòu),為黑液木素的有效提取提供依據(jù)。
1.1材料
硫酸鹽法制漿黑液,澳大利亞藍(lán)桉,安徽華泰林漿有限公司提供。黑液的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 黑液基本性質(zhì)
1.2試劑及儀器
乙醇,質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%;硫酸,質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%;苯,分析純;KBr,色譜純;二氧六環(huán),分析純;吡啶,分析純;醋酸酐,分析純;乙醚,分析純;氘代二甲基亞砜(DMSO-d6),色譜純;均為市購(gòu)。
實(shí)驗(yàn)所用儀器與設(shè)備如表2所列。
表2 儀器與設(shè)備
1.3實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1木素的提取
本實(shí)驗(yàn)采用硫酸法和乙醇硫酸法兩種方法提取木素,提取方法如下:
(1)硫酸木素(SL):取100 mL黑液置于500 mL燒杯中,放在60℃恒溫水浴中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的硫酸并不斷攪拌,待pH值達(dá)到3時(shí),停止加入硫酸,在水浴鍋中靜置,待木素完全沉淀后,過(guò)濾、洗滌,冷凍干燥得到SL。
(2)醇酸木素(CSL):取100 mL黑液置于分液漏斗中,加入100 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%乙醇,搖晃多次后靜置一夜,倒出上層液體,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇,向得到的液體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的硫酸并不斷攪拌,待pH值達(dá)到3時(shí),停止加入硫酸,在水浴鍋中靜置4~5 h,待木素完全沉淀后,過(guò)濾,洗滌,冷凍干燥得到CSL。
1.3.2木素元素分析
分別取0.005 g已磨的很細(xì)的SL和CSL,利用錫紙包成米粒大小,送入全自動(dòng)元素分析儀進(jìn)行檢測(cè)。
1.3.3紅外光譜的測(cè)定
取SL和CSL各0.001 g,分別與0.01 g KBr混合,在研缽中磨成很細(xì)的粉末(此過(guò)程在干燥環(huán)境中完成),利用壓片機(jī)壓成透明薄片后送入紅外光譜儀中測(cè)量,掃描范圍為400~4000 cm-1,每個(gè)樣品掃描32次,分辨率為2 cm-1,重復(fù)2次。
1.3.4紫外光譜測(cè)定
分別取5 mg SL樣品和50%二氧六環(huán)[20]溶于10 mL二氧六環(huán)溶液中配成樣品溶液,然后各自取1 mL樣品溶液,用50%的二氧六環(huán)溶液稀釋到10 mL配成待測(cè)溶液,再利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量。掃描范圍為0~450 nm,測(cè)量速率為1 nm/s。CSL紫外光譜測(cè)量方法與之相同。
1.3.5核磁共振氫譜(1HNMR)的測(cè)定
采用核磁共振波譜儀測(cè)定樣品的1HNMR。由于直接將樣品用于1HNMR的測(cè)定,氫譜的峰出的不是很明顯,所以本實(shí)驗(yàn)將樣品乙酰化之后再用于1HNMR的測(cè)定,具體步驟如下:
稱(chēng)取300 mg樣品(SL、CSL)溶于15 mL體積比為1∶2的吡啶-醋酸酐溶液中, 通入氮?dú)廒s走瓶中空氣后, 迅速蓋緊瓶塞, 置于暗處, 室溫下反應(yīng)72 h。反應(yīng)完成后, 將溶液慢慢滴入攪動(dòng)著的200 mL乙醚中沉淀出乙?;舅亍S靡颐严礈斐恋矶啻?,直至無(wú)吡啶氣味, 最后置于放有P2O5的真空干燥箱中干燥[21]。
取乙?;蟮腟L和CSL各15 mg溶于1 mL DMSO-d6中,用于1HNMR的測(cè)定。
2.1元素分析
SL和CSL的元素含量如表3所示。由表3可以看出,SL和CSL均含有C、H、O、S元素和少量N元素,SL和CSL中C、H、O、N元素的含量分別為61.69%、5.44%、27.11%、0.17%和62.55%、5.57%、29.54%、0.15%。CSL中C、H、O元素含量都比SL高一些,S元素含量差異比較明顯,CSL的S含量為2.20%,SL的S含量為5.59%,其原因可能是由于在用乙醇對(duì)黑液進(jìn)行處理過(guò)程中,脫除了部分含硫物質(zhì)。通過(guò)對(duì)木素各元素含量進(jìn)一步處理,可以得到H/C、O/C的比例,具體結(jié)果如表4所示。
表3 SL和CSL元素分析 %
注 O含量為差減法所得。
表4 各元素與C的比例
由表4可以得到SL和CSL的理論分子式分別為C10H10.58O3.30N0.02和C10H10.68O3.54N0.02。
2.2紅外光譜分析
圖1 木素的紅外光譜圖
波數(shù)/cm-1歸屬3400~3450芳香族和脂肪族上的O—H伸縮振動(dòng)2937甲基、亞甲基C—H伸縮振動(dòng)1705非共軛的CO伸縮振動(dòng)1604芳香核及CO伸縮振動(dòng)1516芳香核振動(dòng)1461甲基或亞甲基的C—H伸縮振動(dòng)1327紫丁香基核振動(dòng)1214酚羥基的振動(dòng)吸收峰1160G單元中C—H彎曲振動(dòng)1115S單元中C—H伸縮振動(dòng)1031芳基C—H平面變形(G>S)、非共軛的CO伸縮振動(dòng)、仲醇C—O、甲基變形830芳香核在2,5和6位平面之外的C—H振動(dòng)(G型)
2.3紫外光譜分析
紫外光譜的主要作用是比較兩種木素的純度和主要官能團(tuán)。如圖2所示,SL和CSL紫外光譜圖比較相似,只是吸收強(qiáng)度有微弱的差異,這可能與其純度相關(guān)。由圖2可知,兩種木素樣品均在250 nm處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰,這是木素苯環(huán)的特征吸收。而在300 nm處有微弱的吸收帶,可能是由于苯基香豆?jié)M(λmax=280)結(jié)構(gòu)在酸解過(guò)程中發(fā)生脫水形成苯基香豆酮結(jié)構(gòu)(λmax=310)。在370 nm處,兩種木素樣品均出現(xiàn)了明顯的吸收峰,但強(qiáng)度不大,這可能是缺乏縮合的酚羥基基團(tuán)的結(jié)果[24]。
圖2 兩種木素紫外光譜圖
2.41HNMR分析
核磁共振氫譜一般被用來(lái)分析物質(zhì)特定質(zhì)子的位移。SL和CSL的1HNMR譜圖及質(zhì)子峰歸屬分別見(jiàn)圖3、圖4和表6。由圖3、圖4和表6可知,兩種木素均為G-S型,化學(xué)移位6.80~7.25代表愈創(chuàng)木基芳香核上的質(zhì)子,化學(xué)移位6.28~6.80代表紫丁香基芳香核上的質(zhì)子,進(jìn)一步證明了這兩種木素結(jié)構(gòu)均含有G單元和S單元。從其他峰中可以得知CSL和SL主要都是由S單元和G單元通過(guò)β-O- 4型的C-O和β-1、β-5、β-β型的C—C鍵連接[25-26],但是CSL中所含這些鍵在譜圖中體現(xiàn)得更明顯一些,可能是由于CSL所含雜質(zhì)少一些,影響氫譜的因素少一些所致。
圖3 SL的1HNMR譜圖
圖4 CSL的1HNMR譜圖
信號(hào)峰歸屬7.25~6.80愈創(chuàng)木基芳香核的質(zhì)子峰6.80~6.25紫丁香基芳香核的質(zhì)子峰6.25~5.75β-O-4和β-1結(jié)構(gòu)中α位氫質(zhì)子的信號(hào)峰5.75~5.20β-5結(jié)構(gòu)中α位氫質(zhì)子的信號(hào)峰5.20~4.90半纖維素上的氫質(zhì)子信號(hào)峰4.90~4.30β-O-4結(jié)構(gòu)中β位氫質(zhì)子和Hαinβ-β結(jié)構(gòu)中α位氫質(zhì)子的信號(hào)峰4.30~4.00β-O-4、β-β、β-5、β-1結(jié)構(gòu)中γ位氫質(zhì)子的信號(hào)峰4.00~3.48—OCH3結(jié)構(gòu)中氫質(zhì)子信號(hào)峰3.31水分子的氫質(zhì)子信號(hào)峰3.48~2.50Hβ結(jié)構(gòu)中β位氫質(zhì)子的信號(hào)峰2.50~2.20芳香族乙酰基上質(zhì)子峰2.20~1.90脂肪族乙?;腺|(zhì)子峰1.5~0.8脂肪族上質(zhì)子峰
另外,由于半纖維素的殘留,SL的譜圖在化學(xué)位移4.90~5.20處有微弱的峰出現(xiàn)。SL和CSL譜圖中化學(xué)位移4.00~3.48、2.50~2.20、2.20~1.90處分別為甲氧基上的H、芳香族乙?;系腍以及脂肪族乙酰基上的H的吸收峰[27]。
采用硫酸法和乙醇硫酸法從藍(lán)桉硫酸鹽法制漿黑液中提取硫酸木素(SL)和醇酸木素(CSL),通過(guò)元素分析、紅外光譜、紫外光譜、核磁共振氫譜(1HNMR)對(duì)SL和CSL進(jìn)行了分析與表征。
(1)CSL中C、H、O、N元素含量分別為62.55%、5.57%、29.54%、0.15%,理論結(jié)構(gòu)式為C10H10.68O3.54N0.02;SL中C、H、O、N元素含量分別為61.69%、5.44%、27.11%、0.17%,理論結(jié)構(gòu)式為C10H10.58O3.30N0.02;CSL的H/C比例比SL高一些,從單一的元素成分含量來(lái)看說(shuō)明CSL的元素成分含量純一些。無(wú)論是SL還是CSL,C、H、O的比例占95%以上,對(duì)于其利用,不管是燃燒還是制備碳纖維,都是有益的。
(2)無(wú)論是先用乙醇處理過(guò)的酸析木素(CSL)還是直接用酸處理得到的木素(SL)中都還有含有愈創(chuàng)木基單元(G型)和紫丁香基單元(S型)結(jié)構(gòu)單元,連接鍵類(lèi)型為β-O- 4、β-1、β-5、β-β,含有較多的游離羰基、甲氧基和羥基等活性基團(tuán),都表現(xiàn)為典型的闊葉樹(shù)材木素特征。木素所含活性基團(tuán)較多,也為后續(xù)改性利用提供了理論支持。
(3)從先用乙醇處理過(guò)再用硫酸酸析黑液提取的木素(CSL)不管是從元素組成還是結(jié)構(gòu)表征上,都比直接用硫酸從黑液中提取的木素(SL)性能優(yōu)異一些,而且雜質(zhì)少一些。
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ExtractionandCharacterizationofLigninfromKraftPulpingBlackLiquorofEucalyptus
LI Yuan-yuan WANG Chuan-gui*ZHANG Shuang-yan
(SchoolofForestry&LandscapeArchitecture,AnhuiAgricultureUniversity,Heifei,AnhuiProvince, 230036) (*E-mail: nj230036@163.com)
The lignins were extracted from kraft pulping black liquor of Eucalyptus by ethanol sulfuric acid and sulfuric acid respectively. These lignins were analysed and characterized by elemental analysis、 FT-IR、 UV spectrum and1HNMR.The results showed that the lignin separated by ethanol sulfuric acid (CSL) presented typical characteristics of lignin of hardwood, which included syringyl(S) and guaiacyl(G)units, and the amount of S units was higher than the G units; CSL main linkage bonds wereβ-O- 4、β-1、β-5、β-β, and it contained many more free carbonyl, methoxy and hydroxyl groups and other active groups; CSL composition elements were mainly C,H,O,N, and the contents were 62.55%、 5.57%、 29.54%、 0.15%, respectively,its theoretical molecular formula was C10H10.68O3.54N0.02. Compared with the lignin extracted directly from the black liquor(SL), CSL had less complex functional groups and molecular.
SL; CSL; extraction; FT-IR;1HNMR
X793
A
10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.10.004
2017- 06- 22(修改稿)
林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)——造紙黑液蒸發(fā)與分離特性研究(201504610-2)。
*通信作者:王傳貴,教授;主要從事生物質(zhì)材料加工及利用方面的研究。
(責(zé)任編輯:馬 忻)