林秀華 劉明華,2,* 陳立暉 呂源財,2
(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福建福州,350116;2.福建省生物質(zhì)資源化技術(shù)開發(fā)基地,福建福州,350116)
近年來,隨著傳統(tǒng)化石能源危機以及環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)峻,人們逐漸把目光轉(zhuǎn)移到可再生能源上[1-2]。作為一類清潔且可再生的資源[3-4],生物質(zhì)的資源化利用已成為當(dāng)前研究熱點[2,5-6]。木質(zhì)素是自然界中僅次于纖維素的第二大天然高分子材料,也是自然界中苯環(huán)含量最高的可再生資源,對其降解以生產(chǎn)芳香化學(xué)品無疑是未來木質(zhì)素高值化利用的理想途徑[7-9]。然而,由于木質(zhì)素存在構(gòu)效關(guān)系不明晰、分子間高度集聚和化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定且不溶于大多數(shù)溶劑等特性,導(dǎo)致其在降解過程中面臨著降解效率低、產(chǎn)物不穩(wěn)定以及工藝難控制等問題[10-11]。因此,開發(fā)木質(zhì)素定向解聚的新工藝是解決木質(zhì)素高值化應(yīng)用瓶頸的重要方向[12-14]。
目前,木質(zhì)素經(jīng)過氧化、水熱、還原、裂解、酶解等反應(yīng)可解聚為高附加值酚類化合物[15-19]。其中,水熱反應(yīng)是一種很有前景的環(huán)境友好型熱處理技術(shù),可斷裂木質(zhì)素中的醚鍵和C—C鍵而保留其苯環(huán)結(jié)構(gòu),生成所需要的低分子酚類單體和二聚體。Gosselink等[20]研究了硬木木質(zhì)素和麥秸木質(zhì)素在超臨界二氧化碳/丙酮/水溶劑中的水熱降解反應(yīng),在溫度為300℃、壓力為10MPa時,獲得10%~12%產(chǎn)率的酚類化合物,但殘余焦炭高達(dá)51.5%;康世民[21]以堿木質(zhì)素為原料,在300℃下水熱降解反應(yīng)30min,木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率約50%。降解溫度過高往往會伴隨木質(zhì)素的熱降解反應(yīng),酚類化合物會進(jìn)一步分解生成氣體或者縮合形成焦炭[17,22],不利于木質(zhì)素降解效率和酚類產(chǎn)物收率的提高。因此,需要尋找更加溫和的反應(yīng)條件和催化劑體系,進(jìn)一步提高酚類化合物的收率。相對于高溫(≥300℃)高壓(≥3MPa)等苛刻的反應(yīng)條件,堿催化劑水熱降解法因具有經(jīng)濟可行、操作簡便、高效等優(yōu)勢而得到了廣泛關(guān)注。堿水熱降解不僅可有效破壞木質(zhì)素中的醚鍵生成酚類化合物,還能抑制水熱反應(yīng)中焦炭的形成[23]。
福建省竹資源豐富,為木質(zhì)素的高值化利用提供了豐富的原料。綠竹是優(yōu)良的筍竹兩用經(jīng)濟竹種,福建省和廣東省是我國綠竹的中心產(chǎn)區(qū)。綠竹具有成林快、輪伐期短、產(chǎn)量高、筍質(zhì)優(yōu)、收益大等優(yōu)勢,綠竹中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分離及其高值化利用是實現(xiàn)綠竹高效利用的關(guān)鍵?;诖?,本課題組以綠竹堿木質(zhì)素為原料,以低分子質(zhì)量酚類化合物為目標(biāo)產(chǎn)物,采用復(fù)合堿協(xié)同降解木質(zhì)素,構(gòu)建了一個高效、經(jīng)濟、綜合的協(xié)同催化降解系統(tǒng),在溫和的水熱條件下,通過調(diào)控復(fù)合堿的協(xié)同作用以實現(xiàn)C—O鍵和C—C鍵的選擇性斷裂,將木質(zhì)素定向解聚為芳香結(jié)構(gòu)小分子酚類化合物,并考察了復(fù)合堿對綠竹堿木質(zhì)素降解效果的影響。
綠竹堿木質(zhì)素由福建省三明市緣福生物質(zhì)科技有限公司提供,粉碎過篩,干燥至質(zhì)量恒定備用;HCl、H2SO4、NaOH、KOH、焦磷酸鈉、苯酚、MgO、Na2SO3、福林酚試劑等均為分析純;四氫呋喃(THF)和乙酸乙酯為色譜純。
紫外可見分光光度計,UV-1780,日本島津公司;凝膠滲透色譜儀(GPC),Waters2414,美國Waters公司;傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR),IR Prestige-21,美國Perkiin-Emler公司;全二維氣相色譜-高分辨飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS),Agilent 6890-59731,美國安捷倫科技有限公司。
用20 wt%H2SO4溶液調(diào)節(jié)綠竹堿木質(zhì)素使之pH值為2,靜置15~24 h后進(jìn)行固液分離,分離的固相木質(zhì)素離心水洗至中性。最后,將上述木質(zhì)素進(jìn)行冷凍干燥,密封備用。用元素分析儀(EA,Vario EL cube,德國Elementar公司)對綠竹堿木質(zhì)素進(jìn)行元素分析,得到C、H、O、N、S的質(zhì)量百分比分別為54.25%、4.72%、35.52%、1.81%、0.84%,由此可得出,實驗用綠竹堿木質(zhì)素的分子式為C9H9.93O4.42。根據(jù)GB/T 2677.2—2011、GB/T 742—2018、GB/T 2677.8—1994以及GB/T 10337—2008測定綠竹堿木質(zhì)素的組成成分,結(jié)果如表1所示。
表1 綠竹堿木質(zhì)素的組成成分Table 1 The component of Sinocalamus Oldhamialkali lignin
稱取2 g的木質(zhì)素于50 mL燒杯中,加入與木質(zhì)素質(zhì)量比為1∶1的堿催化劑(復(fù)合堿中NaOH和堿性鹽質(zhì)量比為3∶1)和20 g的蒸餾水配制成堿溶液,充分?jǐn)嚢柚聊举|(zhì)素全部溶解。將溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜,用氮氣吹掃趕出釜內(nèi)空氣,于200℃條件下反應(yīng)5 h。反應(yīng)結(jié)束后,冷卻至常溫出料。實驗設(shè)置不添加催化劑的體系為空白組。
木質(zhì)素降解產(chǎn)物先用1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至2后再離心分離。離心后的固體沉淀物冷凍干燥,稱量即得木質(zhì)素殘渣的質(zhì)量。液相部分用乙酸乙酯萃取3次,有機相除去溶劑后得到富含酚類化合物的產(chǎn)物。堿降解木質(zhì)素流程及產(chǎn)物分離示意圖如圖1所示。
圖1 堿降解木質(zhì)素流程及產(chǎn)物分離示意圖Fig.1 Schematic illustration of the alkali degradation procedure and product separation of lignin
1.6.1 木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物酚羥基含量測定
木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物的酚羥基含量采用Folin-Ciocalteu法(福林酚法,簡稱FC法)測定[24-26]。以苯酚作為測定酚羥基含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),根據(jù)苯酚在760 nm處的吸光度(A)與濃度(c,μmol/L)的關(guān)系做回歸方程:A=0.0101c+0.0122(相關(guān)系數(shù)R2=0.998),用該方法可測得綠竹堿木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物的酚羥基含量。
1.6.2 木質(zhì)素的FT-IR分析
木質(zhì)素的FT-IR譜圖表征采用傅里葉變換紅外光譜儀,掃描范圍400~4000 cm-l,掃描次數(shù)32次。
1.6.3 木質(zhì)素的分子質(zhì)量及其分布測定
先對木質(zhì)素進(jìn)行乙酰化預(yù)處理[27],將乙?;举|(zhì)素按5 mg/mL溶解在THF中。采用GPC測定乙?;举|(zhì)素的相對分子質(zhì)量。GPC分析條件:聚苯乙烯(PS)為標(biāo)樣,THF為流動相,流速1.0 mL/min,進(jìn)樣量20μL。
1.6.4 木質(zhì)素降解產(chǎn)物GC-MS分析
酚類產(chǎn)物的組成采用全GC-MS進(jìn)行檢測。氣相檢測條件:色譜柱Rxi-5ms(30 m×0.25 mm×0.25μm),載氣為He,流速1.4 mL/min;初始柱溫50℃,保持1 min后,以10℃/min的速率升至300℃,保持10 min;進(jìn)樣溫度280℃,進(jìn)樣量1μL,分流比30∶1。質(zhì)譜檢測條件:EI離子源,溫度250℃,電子能量70 eV。
木質(zhì)素的降解率按式(1)計算[16,28],酚類化合物相對含量根據(jù)式(2)計算:
式中,m0、m分別表示降解前木質(zhì)素質(zhì)量(g)、降解過濾后的木質(zhì)素殘渣質(zhì)量(g);Ai指GC-MS檢測出的每種酚類所對應(yīng)的相對峰面積。
在200℃水熱條件下,分別采用MgO、NaOH和KOH等7種堿催化劑對木質(zhì)素進(jìn)行選擇性解聚,結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,與空白組相比,添加不同的堿催化劑后,木質(zhì)素降解率和產(chǎn)物酚羥基含量均有不同程度的提高。單堿催化劑中,NaOH催化降解木質(zhì)素的效果較好,產(chǎn)物酚羥基含量約(1.8±0.1)mmol/g,相對于空白組提高了約76%,木質(zhì)素降解率由(38.1±2.2)%提高到(79.1±1.3)%。與單堿催化劑相比,復(fù)合堿催化劑對木質(zhì)素的降解效果更好,其中NaOH和Na2SO3組成的復(fù)合堿催化效果最佳,產(chǎn)物酚羥基含量為(3.5±0.07)mmol/g,相比空白組提高約244%,木質(zhì)素降解率高達(dá)(83.1±1.2)%。上述結(jié)果表明,復(fù)合堿可進(jìn)一步提高木質(zhì)素的降解率并顯著增加產(chǎn)物酚羥基含量。這是由于NaOH和Na2SO3的協(xié)同作用更有助于木質(zhì)素的解聚:一方面,復(fù)合堿中NaOH堿性較高,具有較強的堿性位點,從而促進(jìn)木質(zhì)素中醚鍵的斷裂,且木質(zhì)素在NaOH溶液中的溶解性好,反應(yīng)基本處于均相體系,降解更徹底,木質(zhì)素殘渣率也較低[29]。此外,β-O-4醚鍵是木質(zhì)素水熱降解過程中最容易被裂解的連接鍵,其斷裂的同時會生成酚鈉衍生物和瞬間被OH-中和的碳正離子,Na+通過與原木質(zhì)素中的酚羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成陽離子化合物而極化醚鍵,從而促進(jìn)醚鍵的斷裂,釋放出酚羥基。因此,NaOH在復(fù)合堿降解木質(zhì)素中具有較好的催化作用,表明堿的性質(zhì)和強度會影響木質(zhì)素的解聚效果。另一方面,在堿性條件下,Na2SO3和焦磷酸鈉的親核性遠(yuǎn)大于NaOH。SO32-比OH-具有更強的親核作用,因而更易攻擊木質(zhì)素苯環(huán)上的甲氧基,甲氧基的sp3雜化軌道電子云偏向氧原子,使甲氧基中的C—H鍵能減弱,從而使甲基脫落,酚羥基含量進(jìn)一步增加[30]。因此,復(fù)合堿降解木質(zhì)素后能生成更多的酚羥基。此外,在親核試劑SO32-的攻擊下,木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)單元之間的α-烷基芳基醚鍵和β-O-4型連接鍵很容易發(fā)生斷裂,使木質(zhì)素發(fā)生碎片化[31]。因此,在復(fù)合堿中NaOH和Na2SO3的協(xié)同作用下,木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的C—O鍵(以β-O-4為主)更易有效裂解和發(fā)生脫甲基反應(yīng),生成新的酚羥基結(jié)構(gòu),木質(zhì)素降解率進(jìn)一步提高,生成大量小分子的酚類產(chǎn)物。
圖2 不同堿催化劑對木質(zhì)素降解率及產(chǎn)物酚羥基含量的影響Fig.2 The effect of different alkali catalysts on the degradation efficiency of lignin and the phenolic hydroxyl content of the product
采用GPC對木質(zhì)素及降解后溶于THF的殘余木質(zhì)素相對分子質(zhì)量進(jìn)行測定。GPC測定結(jié)果表明,不同堿催化劑水熱降解木質(zhì)素反應(yīng)后,木質(zhì)素的相對分子質(zhì)量均有不同程度降低(見表2)。由表2可以看出,綠竹堿木質(zhì)素的質(zhì)均相對分子質(zhì)量(Mw)在復(fù)合堿作用下,分別由11341降到1308和939,遠(yuǎn)低于原料木質(zhì)素的相對分子質(zhì)量。通常認(rèn)為,木質(zhì)素中的芳基醚鍵含量越少,則相對分子質(zhì)量越?。豢s合結(jié)構(gòu)越少,相對分子質(zhì)量也越?。?2]。這說明在復(fù)合堿催化降解過程中,木質(zhì)素單元之間的連接鍵斷裂,木質(zhì)素大分子變小,降解后生成大量小分子物質(zhì),這與酚羥基含量增加的結(jié)果一致。而空白組中降解產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量變化不大,說明產(chǎn)物仍然以大分子化合物為主。此外,原料木質(zhì)素和殘余木質(zhì)素的多分散系數(shù)也均小于2.0,說明該綠竹堿木質(zhì)素和殘余木質(zhì)素的相對分子質(zhì)量分布區(qū)間較窄,趨于均一化。在堿性水熱降解作用下,木質(zhì)素有效地斷裂結(jié)構(gòu)中的C—O鍵,使其大分子碎片化、相對分子質(zhì)量降低、相對分子質(zhì)量的均一性提高。此外,實驗用綠竹堿木質(zhì)素原料來自于一年生嫩綠竹,其相對分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)相對于其他種類木質(zhì)素有較大的不同,更易被降解,也有利于降解后殘余木質(zhì)素相對分子質(zhì)量的均一化。
表2 綠竹堿木質(zhì)素及不同堿催化劑降解后殘余木質(zhì)素GPC分析Table 2 GPC analysis of the alkali lignin from Sinocalamus Oldhami and residual lignin from different alkali catalysts
2.3.1 FT-IR分析
綠竹堿木質(zhì)素、單堿催化劑及復(fù)合堿催化劑降解后木質(zhì)素殘渣的FT-IR譜圖如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[33-35]可分析確定FT-IR光譜中吸收峰的歸屬。3200~3650 cm-1為酚羥基的伸縮振動峰。由圖3可知,復(fù)合堿降解后木質(zhì)素殘渣在該處的伸縮振動峰較寬,說明木質(zhì)素的醚鍵斷裂,酚羥基的數(shù)量明顯增多。復(fù)合堿降解后木質(zhì)素殘渣在2848~2950 cm-1處甲基、亞甲基的C—H伸縮振動峰明顯減弱,說明在降解過程中木質(zhì)素苯環(huán)側(cè)鏈發(fā)生甲基、亞甲基脫離。由于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元中側(cè)鏈C3結(jié)構(gòu)中存在較多的甲基和亞甲基,C3側(cè)鏈的脫離意味著β-O-4醚鍵斷裂,可能形成了單酚類的化合物[36]。1700~1750 cm-1處的峰歸屬于C=O的特征伸縮振動峰,該峰只在綠竹堿木質(zhì)素中出現(xiàn);1215和1115 cm-1處的吸收峰是芳香醚C—O伸縮振動峰[33],木質(zhì)素降解后該振動峰明顯減弱,這是降解過程中醚鍵斷裂導(dǎo)致,說明木質(zhì)素成功被降解;木質(zhì)素殘渣的酚羥基伸縮振動峰增大表明,在復(fù)合堿降解過程中,木質(zhì)素分子中的β-O-4等結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂生成了酚羥基,同時木質(zhì)素中的甲氧基轉(zhuǎn)變?yōu)榉恿u基[37]。1500~1600 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于芳環(huán)骨架伸縮振動峰,該峰在木質(zhì)素降解前后沒有太大變化,說明在堿降解過程中,木質(zhì)素的芳環(huán)結(jié)構(gòu)沒有被破壞;750~860 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于芳香環(huán)C—H振動峰,堿催化降解木質(zhì)素后,該振動峰響應(yīng)強度增大,說明反應(yīng)主要發(fā)生在苯環(huán)側(cè)鏈和其反應(yīng)官能團(tuán)上[38]。
圖3 綠竹堿木質(zhì)素、單堿催化劑及復(fù)合堿催化劑降解后木質(zhì)素殘渣的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectra of alkali lignin from Sinocalamus Oldhami and residual lignin from single and composite alkali catalysts
2.3.2 GC-MS分析
木質(zhì)素降解后主要酚類產(chǎn)物的GC-MS圖譜及分析結(jié)果見圖4和表3。由圖4和表3可知,在不使用催化劑水熱降解綠竹堿木質(zhì)素的體系(空白組)中,木質(zhì)素大分子很難被降解,因此酚類產(chǎn)物的相對含量較低且種類較少,相對含量僅為41.92%;在單獨NaOH降解體系中,木質(zhì)素降解產(chǎn)物種類顯著增加,并含有大量的酚類物質(zhì),且酚類產(chǎn)物的相對含量(73.97%)明顯高于空白組體系,其中H型、G型和S型酚類物質(zhì)的相對含量分別為29.62%、25.58%、17.00%,說明NaOH可以有效降解木質(zhì)素。這是由于NaOH具有較強的堿水解作用,使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的醚鍵斷裂生成酚類化合物;在單獨使用Na2SO3降解木質(zhì)素的體系中,共產(chǎn)生6種酚類產(chǎn)物,酚類產(chǎn)物的相對含量為64.60%,其中H型、G型和S型酚類物質(zhì)的相對含量分別為47.23%、14.03%、3.34%。相對于NaOH體系,單獨Na2SO3體系對產(chǎn)物的選擇性更好,可有效提高H型酚類產(chǎn)物的相對含量,同時G型和S型酚類產(chǎn)物的相對含量顯著下降,說明Na2SO3對于鍵能較大的鄰位甲氧基具有一定的脫除作用,有利于H型酚類物質(zhì)的生成,但酚類產(chǎn)物總相對含量不高,這是由于Na2SO3難以有效破壞木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)單元之間的醚鍵;在復(fù)合堿降解綠竹堿木質(zhì)素體系中,主要產(chǎn)物是小分子酚類化合物,包括酚類物質(zhì)單體和二聚體,酚類產(chǎn)物的相對含量高達(dá)86.85%,酚類產(chǎn)物共有10種,H型酚類物質(zhì)相對含量最高(44.44%),G型酚類物質(zhì)次之(23.85%),S型酚類物質(zhì)最少(僅15.31%)。相比單獨的NaOH體系,NaOH+Na2SO3復(fù)合堿體系的酚類產(chǎn)物相對含量增加了12.88個百分點,并提高了H型酚類物質(zhì)的相對含量,G型和S型酚類物質(zhì)的相對含量降低。說明NaOH+Na2SO3復(fù)合堿可以高效降解木質(zhì)素,并對綠竹堿木質(zhì)素水熱降解生成酚類產(chǎn)物具有顯著的促進(jìn)作用。這是由于NaOH和Na2SO3組成的復(fù)合堿具有強烈的堿活化催化作用和親核作用。在NaOH+Na2SO3復(fù)合體系中,Na+能夠極化木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的C—O鍵并降低其化學(xué)鍵的活化能,與此同時,體系中的OH-可奪取木質(zhì)素分子酚羥基中的氫,引發(fā)一系列電子轉(zhuǎn)移過程[23];此時,NaOH+Na2SO3復(fù)合體系中的親核試劑SO32-可有效地攻擊鍵能減弱的醚鍵,導(dǎo)致木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中醚鍵發(fā)生斷裂,進(jìn)而定向解聚生成酚類產(chǎn)物[31];此外,Na2SO3的親核作用也能促使木質(zhì)素更容易發(fā)生脫甲基作用,從而使木質(zhì)素中甲氧基的甲基脫去而轉(zhuǎn)變成酚羥基[39],進(jìn)一步促進(jìn)酚類化合物的形成。FT-IR分析結(jié)果也表明,NaOH+Na2SO3復(fù)合堿體系中,木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中醚鍵的伸縮振動峰明顯減弱。因此,NaOH和Na2SO3在木質(zhì)素催化降解過程中具有良好的協(xié)同作用。苯酚(RT(保留時間,下同)=356 s)、4-乙基-苯酚(RT=520 s)和4-羥基-苯乙酮(RT=745 s)等對羥基苯酚衍生物的大量形成,說明經(jīng)NaOH+Na2SO3復(fù)合堿水熱降解后,木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的C—O鍵被破壞,從而生成了大量小分子酚類物質(zhì)[40]。單酚類化合物在總體酚類化合物的占比為96.26%,這是由于α-O-4、β-O-4和5-O-4醚鍵是木質(zhì)素3個苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元之間主要的連接鍵,經(jīng)過堿水熱反應(yīng)后,醚鍵斷裂而產(chǎn)生芳基羥基、醇羥基和烷基等中間體,這些中間體進(jìn)一步被破壞生成低分子質(zhì)量的產(chǎn)物,包括酚類單體,如苯酚、4-乙基-苯酚和2-甲氧基-苯酚等[41]。NaOH+Na2SO3復(fù)合堿的加入促進(jìn)了苯酚的生成,苯酚相對含量占總體酚類化合物的40.97%,證明NaOH+Na2SO3復(fù)合堿對苯環(huán)側(cè)鏈上甲氧基具有一定的脫除作用,還能促進(jìn)木質(zhì)素水熱降解生成的愈創(chuàng)木酚等含甲氧基支鏈的單酚類化合物轉(zhuǎn)化為苯酚等更為簡單的酚類化合物。
圖4 木質(zhì)素降解后酚類產(chǎn)物的GC-MS譜圖Fig.4 GC-MS spectra of the phenolic compound from lignin degradation
表3 木質(zhì)素降解后主要酚類產(chǎn)物的GC-MS分析結(jié)果Table 3 GC-MS analysis results of main phenolic products after lignin degradation
以綠竹堿木質(zhì)素為原料,探究了不同堿催化劑降解木質(zhì)素對酚類產(chǎn)物的影響。研究發(fā)現(xiàn),在相對溫和的水熱體系中,采用復(fù)合堿催化劑可對綠竹堿木質(zhì)素進(jìn)行高效降解。NaOH和親核試劑Na2SO3組成的復(fù)合堿在降解綠竹堿木質(zhì)素過程中具有協(xié)同作用,可有效地斷裂木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中C—O鍵,使木質(zhì)素發(fā)生定向解聚,降解率可達(dá)(83.1±1.2)%,并生成一系列低分子質(zhì)量(<1000)的小分子物質(zhì),酚類產(chǎn)物的相對含量高達(dá)86.85%,實現(xiàn)了對酚類產(chǎn)物的高效選擇性。該木質(zhì)素解聚工藝條件溫和,經(jīng)濟可行,且降解效果理想,而該水熱體系能否適用于其他種類木質(zhì)素的降解還有待進(jìn)一步的探索。