陸佳，劉偉，王欣，蘇小紅，范超

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江哈爾濱150027）

化石能源日益短缺及生態(tài)環(huán)境惡化，促使人們不斷開發(fā)利用綠色可再生的生物質能來替代傳統(tǒng)的化石能源制備化學品[1]。當前生物質資源的開發(fā)和利用已成為國內外關注的熱點。纖維素是自然界中最豐富的生物質資源，由無數(shù)個葡萄糖單元以β-(1,4)糖苷鍵連接而成葡聚糖鏈，多條葡聚糖鏈平行排列，糖鏈間靠氫鍵連接，形成直徑為5～10nm的結晶態(tài)微纖絲[2]。從結構組成上來看，纖維素可以通過水解拆分為糖基化合物，后續(xù)通過催化轉化或者發(fā)酵等方法制取高附加值化學品及液體燃料[3]。因此，纖維素到糖的轉化是制備生物質基化學品的必經(jīng)步驟，也是開發(fā)纖維素這一“糖礦”的關鍵環(huán)節(jié)[4]。然而，纖維素高度的結晶結構是其水解成糖的關鍵阻礙[5]。近年來，為了減少這一阻礙，提升纖維素水解效率，研究人員采用了很多輔助方法降低其結晶度，如球磨[6]、超聲[7]、微波[8]、溶解-再生預處理[9]等，其中溶解-再生預處理是一種簡單、有效的方法，但由于所用的離子液體溶劑成本高、黏度大[10]及有機溶劑易揮發(fā)、具有一定的毒性等缺陷限制了其應用。NaOH/尿素體系是張俐娜教授課題組開發(fā)的一種價廉低毒、適合工業(yè)化生產(chǎn)的新型溶劑[11]。在低溫的條件下該體系能夠溶解纖維素，得到溶解度較高的纖維素溶液，纖維素結晶度下降，提高了反應的可及性[12]。邢靜潤等[13]利用NaOH/尿素凍融預處理纖維素，使得液體酸水解纖維素獲得葡萄糖的產(chǎn)率由35.6%提高到58.5%。Sun課題組[14-15]的研究表明，NaOH/尿素低溫預處理所獲得的無定形結構的纖維素水凝膠更易于液體酸中H+的擴散，從而顯著提高葡萄糖的產(chǎn)率。

除輔助預處理外，催化劑也是影響纖維素水解效率的重要方面。自2008 年Onda 等[16]首次將碳基固體酸應用于纖維素的水解中，有效地解決了傳統(tǒng)液體酸水解纖維素帶來的腐蝕設備、產(chǎn)物分離困難、環(huán)境污染等問題。自此開發(fā)綠色、高效、廉價的碳基固體酸成為研究熱點。碳基固體酸的制備原料可分為含苯環(huán)或稠環(huán)碳片層的物質、高分子聚合物類、糖類和生物質類[17]，其中，生物質天然可再生、來源廣泛、成本低，更有利于工業(yè)化推廣應用。玉米秸稈是一種常見的富碳生物質資源，是制備碳基載體的優(yōu)良原料?；诖?，本文以玉米秸稈為原料，采用碳化-磺化法制備碳基固體酸（CSA），系統(tǒng)研究了碳化溫度及磺化溫度對固體酸表面活性基團含量與催化活性的影響，確定了CSA的最佳制備條件。選擇NaOH/尿素凍融預處理后的纖維素為底物，研究了CSA 催化纖維素水解糖化的效果，以期為秸稈高附加值產(chǎn)品的制備與應用提出一條可行的路徑，同時為固體酸催化纖維素水解糖化提供科學依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

微晶纖維素，Coolaber；濃硫酸（質量分數(shù)大于98%）、濃鹽酸（質量分數(shù)37%）、濃磷酸（質量分數(shù)≥85%）、氫氧化鈉、葡萄糖，分析純，西隴科學股份有限公司；3,5-二硝基水楊酸，天津市光復精細化工研究所；碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀，均為基準試劑，天津市科密歐化學試劑有限公司；氧氣、氮氣，均為高純，哈爾濱黎明氣體有限公司；玉米秸稈，粉碎研磨過100 目篩，在105℃下烘干干燥后存于聚乙烯袋中備用。實驗用水為去離子水。

1.2 儀器

FA2104 型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司；JGF1200-60管式氣氛爐，上海均科儀器科技有限公司；ZNCL-GS智能磁力加熱攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；100mL水熱反應釜，西安常儀儀器設備有限公司；100mL-SLM微型高壓反應釜，北京世紀郎森實驗儀器有限公司；721型可見光分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；Torch總有機碳分析儀，北京利曼科技有限公司。

1.3 纖維素的預處理

采用文獻[13]中質量分數(shù)7%/12% NaOH/尿素體系在-18℃下凍融預處理微晶纖維素，并對預處理前后的纖維素進行XRD 檢測，測定其結晶度與結構變化。根據(jù)衍射譜圖強度，采用Segal 法計算纖維素的相對結晶度指數(shù)（CrI），見式(1)[18]。

式中，I002為纖維素結晶區(qū)（纖維素Ⅰ為2θ=22.5o，纖維素Ⅱ為2θ=21.7o）002晶面的衍射強度；Iam為纖維素無定形區(qū)（2θ=18o）的衍射強度[19]。

1.4 玉米秸稈衍生碳基固體酸的制備

1.5 玉米秸稈衍生碳基固體酸活性基團含量的測定與表征

利用陽離子交換法與返滴定法分別測定碳基固體酸表面磺酸基團（—SO3H）、羧基基團（—COOH）、羥基基團（—OH）的含量[20]；D8 型X 射線衍射儀（德國布魯克AXS公司）用于測定樣品的晶型：Cu靶，管壓40kV，管流40mA，掃描速率10o/min，掃描范圍10°～80°）；supra55型場發(fā)射掃描電鏡（德國蔡司公司）用于檢測樣品的形貌，測試前樣品噴金處理；Nicolet6700型傅里葉變換紅外光譜儀（美國尼高力儀器公司）用于樣品表面官能團的測定：掃描范圍400～4000cm-1，掃 描 分 辨 率4cm-1，掃 描 次 數(shù)32；AXIS ULTRA DLD 型X 射線光電子能譜儀（英國Kratos公司）用于測定固體酸的組成。

1.6 纖維素的水解

稱取一定量的預處理后的纖維素、玉米秸稈衍生碳基固體酸，同30mL 去離子水一起加入高壓反應釜中，在一定溫度和反應時間下進行水解反應。反應結束迅速冷卻至室溫，水解液經(jīng)0.22μm 水系濾膜過濾，采用3,5-二硝基水楊酸（DNS）法測定水解液中總還原糖濃度[21]，總還原糖得率按式(2)計算，用TOC 總碳分析儀對水解液中總碳含量進行測定，進行轉化率分析[22]，計算見式(3)。

式中，TRS、Cr 分別代表水解液中還原糖得率、纖維素轉化率，%；CTRS、CC分別代表水解液中總還原糖濃度、總碳濃度，mg/mL；m1、m2分別代表纖維素質量、纖維素中碳元素質量，mg。

2 結果與討論

2.1 纖維素的預處理

本實驗選取NaOH/尿素凍融預處理纖維素，室溫解凍后發(fā)現(xiàn)纖維素溶解，由粉末狀變成凝膠，經(jīng)水再生后重新析出得到絮狀物，將絮狀物分離干燥即為再生纖維素。圖1為預處理前后纖維素的XRD譜圖。未經(jīng)處理的纖維素在2θ=16.3°、22.5°和34.5°處有Ⅰ型纖維素結晶結構的特征峰出現(xiàn)[23]。再生纖維素在2θ=11.9°、20.0°和21.8°附近有明顯的Ⅱ型纖維素衍射峰出現(xiàn)[24]，纖維素的相對結晶度也由原來的70.5%降低到46.9%，說明預處理改變了纖維素的晶型結構，使纖維素結晶度下降。

圖1 預處理前后纖維素XRD圖

表1對比了玉米秸稈衍生碳基固體酸水解預處理前后纖維素的效果，從表1中可知，預處理可有效地增加纖維素的可及性，顯著提升了CSA 催化纖維素的水解糖化效率。

表1 玉米秸稈衍生碳基固體酸水解預處理前后纖維素效果

2.2 玉米秸稈衍生碳基固體酸的表征

2.2.1 XRD譜圖分析

圖2 為玉米秸稈衍生碳基固體酸的XRD 譜圖。可以看到，在2θ=20°～30°、2θ=40°～50°處有一較寬的無規(guī)則排列無定形碳的（002）晶面衍射峰和一較弱的代表石墨化程度的（100）晶面衍射峰[25]，說明制備的碳基固體酸是具有一定的類石墨化程度的稠環(huán)芳香片層并以隨機方式組成的無定形碳結構。

2.2.2 FTIR光譜分析

圖2 碳基固體酸XRD衍射譜圖

圖3 碳化后秸稈與玉米秸稈衍生碳基固體酸FTIR對比圖

通過FTIR 光譜可以定性分析固體酸表面官能團的種類。圖3為碳化后秸稈和玉米秸稈衍生碳基固體酸的FTIR 光譜圖。可以看出，碳化后秸稈與碳基固體酸均在3400cm-1、1700cm-1、1616cm-1處分別出現(xiàn)酚O—H伸縮振動峰、羧基C==O鍵的伸縮振動峰、芳香環(huán)中C==C 雙鍵的伸縮振動峰[26]，這些特征峰表明無定形碳結構上存在大量的羥基和羧基，組成了碳基固體酸的親水表面。在1100cm-1附近出現(xiàn)了C—O—C 伸縮振動峰，說明碳基固體酸骨架中各碳片層之間通過—O—相交聯(lián)[27]。玉米秸稈衍生碳基固體酸與碳化后秸稈相比，在1450cm-1處—CH3對稱彎曲振動峰消失，這可能是由于濃硫酸的強氧化性使—CH3氧化成羧基所致[28]。在1166cm-1與1034cm-1附近分別出現(xiàn)了磺酸的SO2-3 的不對稱伸縮振動峰和磺酸的O==S==O鍵的對稱伸縮振動峰[29]，這說明—SO3H 基團成功地連接在碳基固體酸骨架表面。

2.2.3 SEM分析

通過掃描電鏡對碳化后玉米秸稈與衍生碳基固體酸進行表面形貌分析，如圖4所示。從圖中可以看出，在碳化后玉米秸稈保留了其天然的中空管狀結構，表面較為光滑。而經(jīng)過磺化后，這種管狀結構遭到破壞，發(fā)生坍塌變成細碎的無定形的塊狀結構，表面出現(xiàn)褶皺，變得粗糙不平，這可能是磺化過程中引入—SO3H基團造成的[30]。

圖4 碳化后玉米秸稈SEM圖與玉米秸稈衍生碳基固體酸SEM圖

2.2.4 XPS譜圖分析

圖5 為玉米秸稈衍生碳基固體酸的XPS 全譜圖、C 1s 和S 2p 分峰譜圖。由全譜圖5(a)可知，制備的固體酸含有C、O、S三種元素。C 1s分峰譜圖5(b) 中 結 合 能 在 284.8eV、 286eV、 287eV、289.58eV 處的特征峰分別歸屬于芳香單元中C==C鍵、C—O 鍵/C—O—C、C==O 鍵、O—C==O 鍵[31-32]。S 2p分峰譜圖5(c)中結合能在168.35eV、164.3eV處的特征峰分別對應于O==S==O、C—S—C[25]，說明制備的碳基固體酸表面的S元素主要有兩種存在形式，其中10.95%的S 以非氧化態(tài)C—S—C 形式存在，89.05%的S 以氧化態(tài)—SO3H 形式存在。C 1s、S 2p共同驗證了玉米秸稈衍生碳固體酸表面含有磺酸基、羥基、羧基，這與紅外譜圖分析是一致的。

2.3 制備條件對玉米秸稈衍生碳固體酸表面活性基團含量及催化活性的影響

碳化溫度與磺化溫度是影響固體酸結構和性能的重要因素[33]，本研究考察了兩者對固體酸表面活性基團含量與催化活性的影響。

2.3.1 碳化溫度

在設定溫度下對玉米秸稈粉末碳化2h，并在130℃下磺化5h，制備碳基固體酸，考察碳化溫度對玉米秸稈衍生碳基固體酸表面活性基團含量及催化活性的影響，如表2 所示?？梢钥闯觯斕蓟瘻囟葹?00℃時，CSA 表面的活性基團含量與催化活性較低，這主要是因為過低的碳化溫度影響碳骨架結構的形成和磺酸基團的引入[34]。當碳化溫度為350℃時，CSA 的酸密度達到最大值，與之對應的還原糖得率與纖維素的轉化率也最大。繼續(xù)提高碳化溫度，CSA 表面活性基團含量與催化活性下降，可能是因為過高的碳化溫度會使比表面積變小，活性位點減少[35]。因此，選擇最佳碳化溫度為350℃。

圖5 玉米秸稈衍生碳基固體酸XPS全譜圖、C 1s 分峰譜圖、S 2p分峰譜圖

2.3.2 磺化溫度

在碳化溫度350℃、碳化時間2h、磺化時間5h的條件下，考察磺化溫度對玉米秸稈衍生碳基固體酸活性基團含量及催化活性的影響，見表3。由表3可知，磺化溫度可以調控碳基固體酸的酸性。隨著磺化溫度升高，碳基固體酸總酸量，—COOH、—OH基團含量逐漸增減，—SO3H含量先增加后減少，在150℃時達到最大值。纖維素水解還原糖得率和轉化率隨著磺化溫度升高先增加后減少，在磺化溫度為100℃時，還原糖得率與纖維素轉化率兩者最高，說明碳基固體酸在催化纖維素水解過程中，除吸附基團—OH、—COOH 與酸中心—SO3H三者的協(xié)同作用外[36]，還可能與碳基固體酸的其他性質如比表面積、孔隙結構有關。當磺化溫度比較低時，碳骨架上連接的—SO3H 不牢固，在水解過程中易脫落失活[37]。在較高的磺化溫度時，固體酸結構穩(wěn)定性增強，嫁接的磺酸基團增多，而過高的溫度、濃硫酸的強氧化性會對碳結構有一定的破壞作用[38]，影響磺酸基團的有效接入。此外，過多的羥基和羧基與磺酸基還可能存在相互制約關系，降低活性基團的利用率，使催化性能減弱。因此，選擇最佳磺化溫度100℃。

表2 碳化溫度對玉米秸稈衍生碳基固體酸表面活性基團含量及催化活性的影響

表3 磺化溫度對玉米秸稈衍生碳基固體酸表面活性基團含量及催化活性的影響

綜上，玉米秸稈衍生碳基固體酸最佳制備條件為350℃下碳化2h，100℃下磺化5h。

2.4 固體酸催化纖維素水解條件的考察

實驗選取最佳工藝條件下制備的碳基固體酸，考察其催化纖維素水解糖化的效果與條件。

2.4.1 水解溫度與水解時間對纖維素水解糖化的影響

圖6 水解溫度與水解時間對纖維素水解還原糖得率及纖維素水解轉化率的影響

水解溫度和水解時間對纖維素水解還原糖得率及水解轉化率的影響如圖6(a)、圖6(b)所示。由圖6(a)可見，隨著水解時間的延長，還原糖得率逐漸增加，當還原糖得率達到最大值后開始降低。這是因為纖維素水解過程中同時存在纖維素水解為還原糖以及還原糖繼續(xù)分解兩個反應，而還原糖得率是由這兩個反應之間的平衡決定的[39]。在還原糖得率達到最大值之前，纖維素的水解速率高于還原糖分解速率而占主導地位，表現(xiàn)為還原糖得率逐漸升高。隨著反應的進行，當纖維素水解速率等于還原糖的分解速率時，還原糖得率達到最大。此后，還原糖的分解速率大于還原糖生成速率，還原糖得率開始下降。當反應溫度為140℃時，纖維素水解5h 還原糖得率達到最大值18.2%；當溫度升高到180℃時，水解3h 時還原糖得率相應提高到35.8%；繼續(xù)提高反應溫度，在200℃下水解0.5h，還原糖得率已經(jīng)達到最大值47.1%。這可能是因為高溫使密閉的反應釜內壓升高，提高了碳基固體酸的催化作用，酸性基團在水溶液中迅速解離出H+進攻糖苷鍵使其斷裂，從而纖維素迅速解聚。同時，高溫也會對玉米秸稈衍生碳基固體酸的穩(wěn)定性有影響，當溫度高于180℃時，水解液呈現(xiàn)淡黃色，這可能是固體酸的碳骨架滲出部分含—SO3H、—COOH 和—OH（酚羥基）基團的芳香族碳片引起的[40]。

此外，水解溫度與時間對纖維素的水解轉化率也有很大影響。從理論上來說，不論水解產(chǎn)物的組成與分布如何，在整個水解過程中，纖維素的轉化率應隨著反應時間的延長或者水解溫度的升高而增加。從圖6(b)中可以看出，當水解溫度低于200℃時，符合這種理論猜想。而當水解溫度達到200℃時，纖維素轉化率隨著水解時間延長有一個先增加后降低的過程，在0.5h達到最高63%，此后反應的水解液冷卻靜止一段時間后有黑色小顆粒出現(xiàn)，這可能是因為纖維素在解聚過程中產(chǎn)生的不溶于水溶液的胡敏素和腐殖酸[41]，致使在水解液中檢測總有機碳濃度降低，表現(xiàn)為纖維素轉化率降低。因此，為避免高溫長時間帶來的副反應，又能在較短的時間內達到理想的水解糖化效果，水解溫度控制在200℃，水解時間0.5h。

2.4.2 玉米秸稈衍生碳基固體酸與纖維素質量比對水解糖化的影響

固體酸水解纖維素是典型的固-固反應，傳質效果比較差。為了提高纖維素水解糖化效率，往往向反應體系中加入較多的固體酸，甚至多于纖維素的量[42]。碳基固體酸的加入量對纖維素水解糖化的影響如圖7所示。可以看出，隨著碳基固體酸與纖維素質量比從1∶1 增加到3∶1，還原糖得率從38.4% 增加到最大值47.1%，纖維素轉化率從52.6%提高到63%。碳基固體酸的活性位點是一定的，加大玉米秸稈衍生碳基固體酸的用量，固體酸提供的酸性催化活性位點增多，增加了纖維素與活性位點之間的接觸機會，有利于反應向著不斷生成還原糖的方向進行。繼續(xù)加大固體酸的用量，還原糖得率反而降低，纖維素轉化率繼續(xù)升高，這說明過量的固體酸也會加速還原糖的降解，促進副反應的發(fā)生，使還原糖得率下降。綜上可見，過高或者過低的固體酸加入量都不利于還原糖的生成。因此，在上述水解條件下，玉米秸稈衍生碳基固體酸與纖維素質量比控制在3∶1 時，還原糖可以達到最優(yōu)產(chǎn)率。

2.4.3 玉米秸稈衍生碳基固體酸循環(huán)利用性能

本研究還考察了碳基固體酸的循環(huán)利用性。每次水解結束后將固體殘渣離心、洗滌，80℃干燥過夜稱重，補充一定量的纖維素保證每次的水解反應物料投加量一致，實驗結果如圖8 所示?？梢钥闯?，經(jīng)過3 次循環(huán)利用，碳基固體酸活性降低不大，穩(wěn)定性良好。當循環(huán)利用4次后，還原糖得率大幅度下降。

圖7 玉米秸稈衍生碳基固體酸與纖維素質量比對水解糖化的影響

圖8 玉米秸稈衍生碳基固體酸的循環(huán)利用

3 結論

（1）7%/12%NaOH/尿素體系凍融預處理纖維素能夠有效降低纖維素的結晶度，可以提高玉米秸稈衍生碳基固體酸與纖維素的可及性與水解效率，是一種高效的輔助固體酸催化纖維素水解糖化預處理技術。

（2）以玉米秸稈為原料，采用碳化-磺化法制備的碳基固體酸表面具有酚羥基、羧基、磺酸基等官能團。

（3）碳化溫度與磺化溫度影響著CSA 表面活性基團的含量與催化活性，在350℃碳化2h，100℃磺化5h 條件下制備的CSA 催化性能最好，其酸量達3.94mmol/g，其中磺酸基、羧基、酚羥基含量分別為1.09mmol/g、1.36mmol/g、1.49mmol/g。

（4）在m(CSA)∶m(纖維素)=3∶1、水解溫度200℃、水解時間為0.5h 的條件下，纖維素水解還原糖得率與轉化率分別為47.1%和63%。CSA穩(wěn)定性良好，經(jīng)過3次循環(huán)利用催化活性下降不大，表明碳基固體酸能夠有效地催化纖維素水解糖化。