朱正鋒 , 賀　曉 , 劉銀麗 , 李成譜

(1.河南省功能性紡織材料重點實驗室 ， 河南 鄭州　450007 ; 2.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院 ， 河南 鄭州　450007)

有機(jī)弱酸法去除棉稈芯中木質(zhì)素工藝研究

朱正鋒1, 賀曉2, 劉銀麗2, 李成譜2

(1.河南省功能性紡織材料重點實驗室 ， 河南 鄭州450007 ; 2.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院 ， 河南 鄭州450007)

基于對棉稈芯中木質(zhì)素的研究，得到原材料棉稈芯中纖維素含量為44.1%，多戊糖24.09%,木質(zhì)素24%，確定影響去除棉稈芯中木質(zhì)素的因素分別為蒸煮時間、有機(jī)酸濃度、固液比、催化劑用量等。利用單因子試驗，分別確定各因子的影響范圍，再利用正交試驗對比分析，最終得到木質(zhì)素最優(yōu)去除工藝為：固液比1∶8，醋酸濃度90%，時間3.0 h，催化劑用量1.5%。本研究初步提出有機(jī)弱酸(醋酸)用于棉稈芯中木質(zhì)素的去除，研究方法與結(jié)論可為同類研究提供參考。

棉稈芯 ; 有機(jī)弱酸 ; 木質(zhì)素 ; 去除 ; 正交設(shè)計

Technology Research of Organic Weak Acid Method

棉花是世界上最主要的農(nóng)作物之一，棉制品有著廣泛的用途。而作為棉花的衍生物——棉稈，卻未能得到充分利用，因此對棉稈的開發(fā)利用具有重大意義[1-3]。文章通過對棉稈芯原料進(jìn)行化學(xué)成分定量分析，確定了棉稈主要化學(xué)成分的含量，在借鑒前人研究麥秸稈、竹子等去除木質(zhì)素的基礎(chǔ)上，結(jié)合棉稈芯這種非木材原料質(zhì)地較硬、結(jié)構(gòu)均勻、纖維素和木質(zhì)素成分同時大量存在的特點，采用醋酸[4]和水為蒸煮液，硫酸做催化劑的方法，去除棉稈芯中的木質(zhì)素，為棉稈芯找到了合理的利用方法。

1　實驗部分

1.1實驗材料

棉稈芯粉末[河南南陽180～250 μm，(60～80目)]；醋酸、98%硫酸、無水乙醇(均為分析純 ，洛陽市化學(xué)試劑廠)；蒸餾水(自制)。

1.2主要儀器設(shè)備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器公司)；SHZ-D循環(huán)水式真空泵(鞏義市予華儀器公司)；SE202F電子天平(感量0.001 g，

奧豪斯儀器有限公司)；HS.Z68.5電熱蒸餾水器(北京市永光明醫(yī)療儀器廠)；DZKW型電熱恒溫水浴鍋(北京市永光明醫(yī)療儀器廠) 。

1.3實驗方案設(shè)計

1.3.1棉稈芯纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量測定

采用硝酸—乙醇法測定棉稈芯中纖維素[5]含量；參照GB 02677.9-1994 《造紙原料多戊糖含量的測定》測定半纖維素含量[6]；參照GB 02677.8-1994《造紙原料酸不溶木素含量的測定》中的方法測定木質(zhì)素含量。每方案測試三次求平均值。

1.3.2去除棉稈芯木質(zhì)素單因子工藝試驗

影響醋酸去除木質(zhì)素的主要因素有醋酸濃度、蒸煮時間、催化劑用量、固液比及蒸煮溫度等[7-8]。

1.3.3多因子對醋酸去除棉稈芯木質(zhì)素的影響

在單因子試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實驗，優(yōu)化工藝參數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1棉稈芯主要化學(xué)成分

通過定量分析可知，棉稈芯的的主要成分為纖維素44.10%、半纖維素24.09%，木質(zhì)素24.00%。去除木質(zhì)素是開發(fā)利用棉稈芯的難點。

2.2醋酸濃度、蒸煮時間、催化劑用量和固液比對去除棉稈芯木質(zhì)素的影響

木質(zhì)素中的甲氧基是由酚羥基構(gòu)成，這就使得木質(zhì)素較難分解。在醋酸/硫酸/水溶液蒸煮體系中，醋酸是一種小分子溶劑，在高溫狀態(tài)可以進(jìn)入木質(zhì)素的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，雖然醋酸自身無法將它們?nèi)咳艹?，但與木質(zhì)素的反應(yīng)變得容易；同時，醋酸對木質(zhì)素具有溶脹作用，使原料變得疏松從而增大試劑與原料的接觸面積；硫酸作為催化劑能提供較強(qiáng)的H+，同樣可以溶解木質(zhì)素。

殘余木質(zhì)素含量與醋酸濃度，蒸煮時間，催化劑用量和固液比(1∶x)的關(guān)系曲線如圖1～4所示。

圖1　醋酸濃度與木質(zhì)素含量的關(guān)系曲線

圖2　蒸煮時間與木質(zhì)素含量的關(guān)系曲線

圖3　催化劑用量與木質(zhì)素含量的關(guān)系曲線

圖4　固液比與木質(zhì)素含量的關(guān)系曲線

綜合分析圖1～4可知：①木質(zhì)素含量隨醋酸濃度的增加逐漸降低；隨著蒸煮時間的增加先下降再上升；隨催化劑用量的增加逐漸降低；隨著固液比的增加先上升后穩(wěn)定。②單因子醋酸濃度為95%，蒸煮時間3.2 h，催化劑用量低于1.5%和高于2%和固液比1∶10時，去除棉稈芯木質(zhì)素效果分別最優(yōu)。

2.3多因子對醋酸去除棉稈芯木質(zhì)素的影響

本試驗選取醋酸濃度、蒸煮時間、催化劑用量、固液比4個因素進(jìn)行正交實驗及L9(34)，因素水平見表1，正交試驗實驗結(jié)果如表2所示。

表1　醋酸去除木質(zhì)素因素水平表

表2　 醋酸去除木質(zhì)素正交實驗表

由正交實驗分析可知，對棉稈芯木質(zhì)素去除率的影響因素由主到次為：固液比A→蒸煮時間C→催化劑用量D→醋酸濃度B；最優(yōu)方案組合A2B2C2D1。在該水平下重復(fù)做三次等精度驗證試驗，得到平均殘余木質(zhì)素含量14.98%、纖維素含量67.34%，優(yōu)于9次正交試驗的最優(yōu)結(jié)果，最終確定的最優(yōu)工藝組合參數(shù)為：固液比1∶8，醋酸濃度90%，時間3.0 h，催化劑用量1.5%，木質(zhì)素去除效果達(dá)到最佳?？梢猿醪接糜谥茲{造紙及生產(chǎn)一次性衛(wèi)生用品中。

3　小結(jié)

對棉稈芯原料進(jìn)行化學(xué)成分定量分析，分別確定其纖維素含量為44.10%，木質(zhì)素24.00%，半纖維素24.09%，有極大的應(yīng)用開發(fā)價值。對醋酸去除棉稈芯木質(zhì)素機(jī)理進(jìn)行分析，研究醋酸濃度、蒸煮時間、固液比、催化劑用量4個單因子對醋酸去除棉稈芯木質(zhì)素的影響，最后通過正交實驗綜合分析得出對棉稈芯木質(zhì)素去除影響因素由主到次為：固液比→蒸煮時間→催化劑用量→醋酸濃度，得出醋酸去除棉稈芯木質(zhì)素的最優(yōu)工藝組合為固液比1∶8，醋酸濃度90%，時間3.0 h，催化劑用量1.5%。通過一系列試驗綜合分析可以確定棉稈芯可以用于制漿造紙及生產(chǎn)一次性衛(wèi)生用品。

[1]余蓮卿，黎明秀.棉稈循環(huán)利用理論模式探討[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2008,24(11):1-2.

[2]胡志軍，李友明，聶勛載.棉桿皮APSP法化學(xué)處理工藝的探討[J].中國造紙，2005,24(7)：67-69.

[3]王秀榮，魏德卿.纖維素及其衍生物的結(jié)構(gòu)與性能及在制革中的應(yīng)用[J].皮革化工,2001，15(1)：10-13.

[4]甘定能，謝益民，敖月格勒，等.三倍體毛白楊常壓醋酸法制漿工藝的探討[J].中國造紙學(xué)報，2004，19(1)：15-18.

[5]葉代勇，黃洪，傅和青，等.纖維素化學(xué)研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報，2006，57(8)：1782-1790.

[6]陳鵬，林鹿，徐麗麗，等.蔗渣半纖維素不同組分的水解[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2006,25(4)：18-21.

[7]陶用珍，管映亭.木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)，2003，11(1)：42-55.

[8]周建，曾榮，羅學(xué)剛.木質(zhì)素化學(xué)改性的研究現(xiàn)狀[J].纖維索科學(xué)與技術(shù)，2006，14(3)：60-66.

河南省化學(xué)催化重點實驗室通過驗收

根據(jù)《河南省省級重點實驗室管理辦法》和《河南省省級重點實驗室建設(shè)項目驗收大綱》要求，近日上午，河南省科技廳組織專家對依托河南省化工研究所有限責(zé)任公司組建的河南省化學(xué)催化重點實驗室進(jìn)行了驗收。

河南省化學(xué)催化重點實驗室(下簡稱：重點實驗室)以新型節(jié)能催化劑和環(huán)境友好催化技術(shù)研究為核心，以服務(wù)工業(yè)生產(chǎn)、實現(xiàn)催化劑的工業(yè)應(yīng)用為特色，在化肥催化、加氫催化、環(huán)保催化、脫硫催化等領(lǐng)域進(jìn)行化學(xué)催化的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

驗收專家聽取了實驗室建設(shè)情況匯報，審查了相關(guān)材料，并對實驗室現(xiàn)場考察后，認(rèn)為：實驗室在建設(shè)期內(nèi)全面完成了計劃任務(wù)書規(guī)定的目標(biāo)任務(wù)，同意河南省化學(xué)催化重點實驗室通過驗收，建議批準(zhǔn)正式開放運行。

to Remove Lignin in the Cotton Core
ZHU Zhengfeng1, HE Xiao2, LIU Yinli2, LI Chengpu2
(1.Key Laboratory of functional textile material in Henan , Zhengzhou450007 , China ; 2.College of Textiles , Zhongyuan University of Technology , Zhengzhou450007 , China)

Based on the study of cotton stalk cores,raw cotton stalk cores is obtained cellulose content of 44.10%,pentosan 24.09% and ligin is 24% and paper with hardwood or less,it has can be developed; but the lignin content of 24.00%,determine the factors effecting the removal of lignin cotton stalk core are cooking time,the concentration of organic acids,solid-liquid ratio,amount of catalyst,etc.Using single factor test to determine the impact of each factor range,re-use orthogonal comparative analysis of the factors affecting the effect of the removal of lignin,cotton stalk finally get the optimal core lignin removal process as follows:liquid ratio is 1∶8,the concentration of acetic acid is 90%,time is 3.0 h,the amount of catalyst is 1.5%.The preliminary study presented a weak organic acid (acetic acid) is used to remove lignin cotton stalk core, the methods and results can provide a reference for similar studies.

cotton stalk core ; weak organic acid ; lignin ; remove ; orthogonal design

TQ028.4

A

1003-3467(2015)03-0026-03

2015-01-29

朱正鋒(1957-)，男，教授，從事功能性紡織材料的研究與開發(fā)，電話：13700856505。