木质素液相解聚过程中的溶剂效应研究

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木质素作为能够用于生产具有高附加值化学品的原料之一,具有良好的应用前景。液相解聚木质素已经被广泛地应用在木质素的转化过程中。然而,关于木质素的液相解聚研究目前大部分都集中在时间、温度等工艺参数或是催化剂的开发上,而关于液相解聚过程中的溶剂效应鲜有报道。有鉴于此,在本研究中,木质素液相解聚过程中的溶剂效应率先被提出,并希望能够建立一个理论模型应用于木质素的解聚中,进行转化率甚至是产物分布的预估。以有机溶剂萃取玉米秸秆酶解渣中的木质素为原料,针对10种常用的木质素解聚中使用的有机溶剂进行研究。根据Reichardt理论和Kamlet-Taft理论,选取不同溶剂参数进行关联分析,其中包括,极性参数ET、、极性参数π、氢键极性参数α和β、溶解度参数б以及用于描述氢键接受和供给能力的溶剂参数AN和DN。在溶剂参数α、β、π中,氢键供给参数α对转化率的影响最大,α、ππ对木质素转化率的提高具有积极的作用而β则为消极作用。分别建立了溶剂参数AN、DN、ET.和 б 四种模型,R2 分别为 0.979、0.898、0.979、0.919。其中 ET模型的预估效果最好,主要有两个原因。第一:因为ET溶剂参数的建立本身综合了溶剂对于氢键的供给能力、接受能力、极性,在对溶剂的普适性上要优于单一的氢键的供给能力的AN。第二,ETT模型所得到的R2也最为接近1,模型的关联性最好。在ET模型预估的10种溶剂中,有7种溶剂的预估值与实验值的偏差小于2%。溶剂的溶解度对于木质素解聚过程有着重要的影响。实验采用甲醇/水混合溶剂体系证明了溶解度参数和木质素解聚转化率之间存在一定关系。实验选取正已烷和不同体积比例的甲醇/水混合溶剂分析溶解度因素对解聚过程的影响。当正已烷作为反应溶剂时,木质素在其中的溶解性差,转化率低。当不同体积比例的甲醇/水作为反应溶剂时,木质素解聚后的液体产物的产率呈现先上升后下降趋势,当体积比例为80:20时,液体产物的产率最高。计算得到实验所采用的木质素的溶解度参数б值为13.98(cal/cm3)1/2,这一数值与甲醇/水体积比例为80:20时最为接近,此时溶剂体系的б值为15.15(cal/cm3)1/2。随着甲醇体积比例的上升,2,6-二甲氧基-4-丙烯基酚以及2-甲氧基-4-乙基酚也随之上升,且趋势与液体产物的产率大致相同。采用H型、G型模型化合物研究了木质素解聚的反应机理。H型模型化合物的主要解聚产物为酚类,同时生成了长链的烷烃类结构。但是在甲醇体系中的解聚效果并不理想。G型模型化合物的主要解聚产物中出现了大量的醚键结构。通过核磁共振-氢谱验证了 G型模型化合物解聚过程中,溶剂会直接参与到反应中,与反应的中间产物或是反应物直接生成最终的液体产物。分析了 G型模型化合物的具体解聚过程,证明了在G型模型化合物的解聚过程中,β-O-4上的醚键化学活性最高,在木质素的解聚过程中往往先发生断裂。
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