木质生物质精炼预处理技术研究进展

木质生物质不仅可应用于制浆造纸工业,也可替代有限的石化资源用于生产化学品、合成材料和再生能源等,然而其结构的复杂性限制了其高效转化。预处理技术作为生物质精炼高效转化的关键步骤,已成为世界各国的研究热点。文章对物理法、化学法、物理-化学法和生物法预处理木质生物质技术的国内外研究进展进行了综述,对相应技术的处理效果进行了分析和总结,对预处理技术的发展及其基于制浆造纸工业相结合的前景进行了展望并提出了建议。

热水预水解对杨木半纤维素提取及后续硫酸盐法制浆的影响

基于制浆造纸过程中的生物质精炼理念,利用热水预水解预先提取杨木木片中的半纤维素,然后对水解后的木片进行硫酸盐法蒸煮,探讨预水解因子(P因子)对半纤维素提取和后续硫酸盐法制浆的影响。研究结果表明,热水预水解对半纤维素的提取效果显著,且P因子可较好地控制预水解反应过程;预水解处理能提高后续硫酸盐法蒸煮脱木素的效果,降低蒸煮用碱量,但会增大后续浆料打浆难度,同时降低成纸的某些物理性能。综合考虑后续水解液的生物质利用和水解木片的硫酸盐法制浆,当P因子为608～1060时,水解液中的聚戊糖提取率为33.18%～35.31%,相应的预水解KP制浆得率为39.47%～37.12%;与未经热水预水解处理的对照样相比,热水预水解处理后浆料性能和黑液性能均较好。

预水解因子对杨木木片相关性能的影响

在碱法制浆前对杨木木片进行热水预水解处理,并借助扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)及热重分析(TG)等手段探讨了不同预水解因子(P因子)对木片相关性能的影响。结果表明,随着P因子的增大,水解后木片的白度和得率逐渐降低并趋于稳定,处理后木片中的聚戊糖含量显著降低,酸溶木素和Klason木素含量也降低,纤维素的含量变化不大;热水预水解处理将导致木片纤维的数均长度和宽度均有所下降,且随着P因子的增大,纤维素的结晶度有所提高,但不改变纤维素晶体构型;预水解后木片表面形成较多孔隙,且纤维表面会形成由木素或木素-碳水化合物复合体(LCC)等组成的球形颗粒状物质,当P因子≥1355时,易发生物质的吸附沉积现象,在木片上形成一层光亮层;TG和发热量分析表明,经热水预水解处理后的木片,热失重要低于原木片,且预水解后木片的发热量随着P因子的增加而增加。

热水预水解对杨木预水解液性能的影响

在硫酸盐法制浆(KP)前对杨木木片进行热水预水解处理,探讨了不同P因子对预水解液性能的影响。实验结果表明:随P因子增大,预水解液的pH不断降低,最终导致水解木片的得率不断降低,此外,预水解液中的固形物、聚戊糖、酸溶木素、糠醛和CODCr含量也呈增加趋势;当P因子≥1355时,预水解液体系中易发生物质的吸附与沉积,经傅里叶红外光谱(FT-IR)表征证实该沉积物为木素/LCC类物质;当P因子为608～1060时,预水解液和水解木片中的聚戊糖提取率具有良好的线性关系:y=1.340x+7.235,R2=0.977;在热重分析(TGA)过程中,预水解液主要的失重温度范围为165～450℃,且当P因子由61增至1355时,失重由41%升至61%。

杨木高温预水解工艺初探

研究杨木在不同条件下的高温预水解反应,探讨预水解温度、保温时间、液比及预水解因子(P因子)等对预水解的影响。研究结果表明:随着反应温度、保温时间及液比增大,预水解后杨木得率降低,预水解液(PHL)的pH值降低,固形物含量、酸溶木素含量和聚戊糖提取率升高,预水解温度过高(≥180℃),易发生木素或LCC吸附、沉积现象,不利于半纤维素的提取;P因子能较好地控制预水解反应,且相同的P因子条件下,所得预水解后的木片及PHL相关结果相近。通过P因子优化实验,得到杨木高温预水解的优选工艺条件为:预水解温度170℃,保温时间60min,相应的P因子约764h,液比5:1。

高温预水解对杨木硫酸盐法制浆的影响

杨木经高温预水解处理后,再进行硫酸盐法(KP)蒸煮,探讨了预水解对浆料、黑液及成纸等相关性能的影响。结果表明:高温预水解处理能显著提高后续蒸煮过程脱木素的效果,从而降低蒸煮用碱量;随预水解P因子增大,浆料的得率略微降低,卡伯值下降显著,当P因子≤500时,浆料黏度变化不大,随后显著降低;在一定程度上,高温预水解有助于后续黑液的碱回收利用,当P因子≥470时,随P因子增大,黑液固形物含量增加,且相应的高位发热量也不断上升;高温预水解导致浆料打浆难度加大,对成纸白度和撕裂度有所贡献,但对成纸其他物理性能具有负面影响,在相同P因子条件下,所得浆料打浆及成纸性能相近。