青島能源所建立高聚合度純半纖維素選擇性分離新技術(shù)
半纖維素幾乎存在于所有植物的細胞壁中,是天然木質(zhì)纖維原料三大主要組分之一,約占植物細胞壁生物量的三分之一。與具有線(xiàn)性結構的纖維素不同,半纖維素是帶有支鏈的雜多糖,原生聚合度約為200,是工業(yè)應用中戊糖的主要來(lái)源,在食品、醫藥、化工、先進(jìn)材料等領(lǐng)域應用前景廣闊。在利用半纖維素之前,往往需要將其從木質(zhì)纖維中分離出來(lái)。常用的分離方法包括堿法、酸法、水熱法、離子液體或低共溶溶劑處理等,但這些方法往往存在半纖維素的降解,或化學(xué)試劑/溶劑回收成本高等問(wèn)題。另外,從材料化利用的角度,需要在選擇性分離半纖維素的同時(shí)保留其完整的分子鏈結構,這目前依然極具挑戰。
近日,青島能源所系統集成工程中心木質(zhì)纖維綠碳材料項目部建立了高聚合度純半纖維素選擇性分離新技術(shù)。研究發(fā)現,利用熔鹽水合物綠色溶劑(三水合溴化鋰)可在溫和條件下(25-85°C)實(shí)現商品漂白紙漿中半纖維素和纖維素的高選擇性分離,其機理是三水合溴化鋰可以高效打破纖維素和半纖維素之間的氫鍵結合(圖1),使半纖維素溶解,而纖維素不溶;固液分離后,溶解的半纖維素可用乙醇沉淀析出,再生的半纖維素純度100%,聚合度240-264,很大程度上保留了半纖維素的原生結構;半纖維素的最高脫除率可達95%,相應的純半纖維素得率為84%。同時(shí),分離得到的纖維素中α-纖維素的含量為96%,聚合度880,鐵含量?jì)H為2 ppm,滿(mǎn)足生產(chǎn)萊賽爾纖維(Lyocell)用高品質(zhì)溶解漿的要求。此外,三水合溴化鋰易于回收回用,可確保整個(gè)處理過(guò)程的清潔(圖2)。
圖1?三水合溴化鋰分離半纖維素機理示意
圖2 三水合溴化鋰分離半纖維素和纖維素整體工藝流程示意
此項工作建立了一種從商品紙漿中高選擇性綠色分離半纖維素和纖維素的新方法,獲得高聚合度純半纖維素的同時(shí),可使商品紙漿升級為高品質(zhì)溶解漿,用于生產(chǎn)Lyocell纖維(用于紡織服裝)、纖維素酯、纖維素醚等高附加值產(chǎn)品。這一研究對促進(jìn)半纖維素和纖維素的高值利用有重要意義。前期申請/授權多項中國發(fā)明專(zhuān)利(ZL202010818370.1、ZL202010818371.6、ZL202210390511.3、2023111168109)。
受主編邀稿,該研究成果近期發(fā)表于Green Chemistry,文章第一作者為浙江理工大學(xué)聯(lián)合培養碩士研究生龔潤竹,通訊作者為李濱研究員、北京林業(yè)大學(xué)彭鋒教授和浙江理工大學(xué)唐艷軍教授。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際合作伙伴計劃等項目的支持。(文/圖 吳美燕、龔潤竹)
文章鏈接:https://doi.org/10.1039/D4GC00335G
Runzhu Gong,Chao Liu,Meiyan Wu,Rui Tian,Guang Yu,Xitao Luo,Bin Li*,Feng Peng*,Yanjun Tang*. Efficient fractionation of pure hemicellulose with high DP from bleached hardwood pulp using LiBr·3H2O and co-production of dissolving pulp. Green Chemistry,2024,26,4622-4632.
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