导　　师： 常杰

学科专业： H07

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 随着石油资源的日益缺乏，人们正在加紧寻找石油资源的替代品。生物质是石油资源最为潜在的替代物质，因为绝大部分基于石油的化工原料和产品都可以从生物质中提取得到。植物性生物质的组成主要是碳水化合物、木质素，碳水化合物占了生物质总产量的70%，包括纤维素、半纤维素和糖，木质素占了20%，另外还有其他物质（脂肪、蛋白质）占5%。要进行生物炼制，首先就要对生物质的各组分进行分离。但生物质中具有复杂结构的木质素和半纤维素通过化学键连接，又与纤维素通过氢键连接，这些都对生物质的生长起到了很好的保护作用，但同时也对生物质的分离和利用制造了障碍。离子液体是一种可对生物质完全溶解的新型溶剂。本文以松木为生物质原料，以离子液体和有机溶剂的混合物为溶剂，针对生物质在混合溶液中分离和转化的一系列关键问题进行了研究，包括混合溶剂的设计，生物质的分离、改性和离子液体的回收和循环使用等问题。通过研究，主要结论如下：1．对不同溶解理论进行了比较和分析，选择了Hansen的三维溶解理论作为离子液体混合溶剂设计的理论基础。依据此理论，设计了几种具有不同功能的混合溶剂。混合溶剂由离子液体、有机溶剂和水构成，可以根据需要对其组成配比进行调节。通过实验发现：所设计的混合溶剂对生物质的分离效果与设计预期非常吻合，使得生物质的分离具有可选择性。2．对生物质选择性分离的条件进行了单因素实验，确定最佳的反应条件为：温度170℃左右，时间约2h。另外，实验发现：离子液体的浓度增加会促进对纤维素的溶解和降解，水的存在对生物质的分离非常重要，但在10³0%（v/v，相对离子液体）范围内都具有稳定的分离效果；有机溶剂的存在对加速生物质分离和防止降解木质素的再缩合具有非常重要意义。对分离所得的产物的纯度和得率进行了测算：纤维素纯度为89.6⁹4.2wt%，得率64.9⁸9.9wt%；木质素纯度92.1⁹4.1wt%，得率89.1⁹4.9wt%。3．用傅立叶红外FT-IR、核磁共振¹H-NMR、热分析（TGA）、X-射线衍射（XRD）、气相-质谱联用（GC-MS）、高效阴离子交换色谱（HPAEC）等手段对分离所得的产物的物理性质和化学结构进行了表征，发现在分离过程中：纤维素的化学结构没有发生明显变化但聚合度D_p降到了1000左右；木质素发生了水解，β-O-4等醚键被大量打断，分子量明显降低，缩合不明显；半纤维素和少量纤维素降解为糖溶解在离子液体中。4．研究了从离子液体中分离糖的方法，发现在离子液体中利用CrCl₃和CrCl₃.6H₂O等催化剂可将糖转化为HMF、胡敏素等物质，这些产物通过减压蒸馏、过滤等简单方法从离子液体中分离，从而获得高纯度离子液体的回收。5．研究了离子液体中木质素在CrCl₃和CrCl₃.6H₂O催化下的改性问题，发现木质素发生了降解和重整，分子量降低，分散性改善，甲氧基醚键被大量破坏，这非常有利于将木质素与醛类物质合成为树脂。6．确定了离子液体的最优回收路线：在离子液体中对糖和木质素进行了共混处理，先在低温下（130℃）将糖转化为糠醛并减压分离，然后升温到170℃使未反应的糖与木质素聚合成为胡敏素并过滤分离。这种办法可以将绝大部分产物从离子液体中分离出来。回收的离子液体经循环使用证明保留了原始特性和活性。

关 键 词： 离子液体 生物炼制 分离 改性

分 类 号： [TK6]

领　　域： [动力工程及工程热物理]