桉木硫酸鹽法制漿黑液木素提取與表征

李媛媛 王傳貴 張雙燕

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽合肥，230036)

·木素提取·

李媛媛女士，在讀碩士研究生；主要從事生物質(zhì)材料加工及利用方面的研究。

桉木硫酸鹽法制漿黑液木素提取與表征

李媛媛 王傳貴*張雙燕

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽合肥，230036)

以硫酸法和乙醇硫酸法分別從藍(lán)桉硫酸鹽法制漿黑液中提取木素獲得硫酸木素(SL)和醇酸木素(CSL)，通過元素分析、紅外光譜、紫外光譜、核磁共振氫譜(1HNMR)對(duì)SL和CSL進(jìn)行分析與表征。結(jié)果表明，CSL呈現(xiàn)典型的闊葉材木素特征，主要含愈創(chuàng)木基單元(G)和紫丁香基單元(S)，為G-S型木素結(jié)構(gòu)；CSL主要連接鍵為β-O- 4、β-1、β-5、β-β，且含有較多的游離羰基、甲氧基和羥基等活性基團(tuán)；CSL組成元素主要為C、H、O、N，含量分別為62.55%、5.57%、29.54%、0.15%，其理論分子式為C10H10.68O3.54N0.02；與采用硫酸法從黑液中直接提取的SL相比，CSL的雜官能團(tuán)及雜分子少一些。

硫酸木素；醇酸木素；提?。患t外光譜；核磁共振氫譜

目前國內(nèi)外對(duì)硫酸鹽法制漿黑液最直接的利用就是堿回收，回收其中的堿，同時(shí)利用其燃燒產(chǎn)生熱能[1-3]。部分學(xué)者對(duì)黑液其他利用進(jìn)行了研究，王鳳寅等人[4- 6]利用黑液制備水煤漿，徐鴿等人[7]將黑液作為乳化劑對(duì)催化裂解原料重油進(jìn)行摻水乳化。而更多的學(xué)者是從黑液中提取木素加以利用。

木素是可再生的芳香和化學(xué)原料資源，無論是在材料化工、農(nóng)業(yè)等行業(yè)都有著廣闊的應(yīng)用前景[8]。在高分子材料領(lǐng)域，由于木素結(jié)構(gòu)中存在大量活性基團(tuán)如酚羥基、醇羥基，很多學(xué)者通過對(duì)木素改性或者用木素改性其他化合物，達(dá)到增強(qiáng)木素活性或者改良其他化合物性能的目的[9-10]，如徐若愚等人[11-13]利用黑液木素制備酚醛樹脂膠黏劑；木素含碳量高，所以有些學(xué)者會(huì)利用其制備成碳纖維[14-16]后再利用。木素主要由C、H元素組成且無S元素，污染少，其熱值高，因此，在石化領(lǐng)域?qū)⑵湟夯瘉泶媸妥鋈剂蟍17]，并將木素用作稠油降黏劑[18-19]，便于稠油采出。本課題以從桉木硫酸鹽法制漿黑液中提取出來的木素為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)酸提取木素的工藝步驟中加了一步乙醇處理黑液的步驟，通過分析提取木素的組成元素及結(jié)構(gòu)，為黑液木素的有效提取提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料

硫酸鹽法制漿黑液，澳大利亞藍(lán)桉，安徽華泰林漿有限公司提供。黑液的基本性質(zhì)見表1。

表1 黑液基本性質(zhì)

1.2試劑及儀器

乙醇，質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%；硫酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%；苯，分析純；KBr，色譜純；二氧六環(huán)，分析純；吡啶，分析純；醋酸酐，分析純；乙醚，分析純；氘代二甲基亞砜(DMSO-d6)，色譜純；均為市購。

實(shí)驗(yàn)所用儀器與設(shè)備如表2所列。

表2 儀器與設(shè)備

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1木素的提取

本實(shí)驗(yàn)采用硫酸法和乙醇硫酸法兩種方法提取木素，提取方法如下：

(1)硫酸木素(SL):取100 mL黑液置于500 mL燒杯中，放在60℃恒溫水浴中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的硫酸并不斷攪拌，待pH值達(dá)到3時(shí)，停止加入硫酸，在水浴鍋中靜置，待木素完全沉淀后，過濾、洗滌，冷凍干燥得到SL。

(2)醇酸木素(CSL)：取100 mL黑液置于分液漏斗中，加入100 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%乙醇，搖晃多次后靜置一夜，倒出上層液體，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出乙醇，向得到的液體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的硫酸并不斷攪拌，待pH值達(dá)到3時(shí)，停止加入硫酸，在水浴鍋中靜置4～5 h，待木素完全沉淀后，過濾，洗滌，冷凍干燥得到CSL。

1.3.2木素元素分析

分別取0.005 g已磨的很細(xì)的SL和CSL，利用錫紙包成米粒大小，送入全自動(dòng)元素分析儀進(jìn)行檢測。

1.3.3紅外光譜的測定

取SL和CSL各0.001 g，分別與0.01 g KBr混合，在研缽中磨成很細(xì)的粉末(此過程在干燥環(huán)境中完成)，利用壓片機(jī)壓成透明薄片后送入紅外光譜儀中測量，掃描范圍為400～4000 cm-1，每個(gè)樣品掃描32次，分辨率為2 cm-1，重復(fù)2次。

1.3.4紫外光譜測定

分別取5 mg SL樣品和50%二氧六環(huán)[20]溶于10 mL二氧六環(huán)溶液中配成樣品溶液，然后各自取1 mL樣品溶液，用50%的二氧六環(huán)溶液稀釋到10 mL配成待測溶液，再利用紫外-可見分光光度計(jì)測量。掃描范圍為0～450 nm，測量速率為1 nm/s。CSL紫外光譜測量方法與之相同。

1.3.5核磁共振氫譜(1HNMR)的測定

采用核磁共振波譜儀測定樣品的1HNMR。由于直接將樣品用于1HNMR的測定，氫譜的峰出的不是很明顯，所以本實(shí)驗(yàn)將樣品乙酰化之后再用于1HNMR的測定，具體步驟如下：

稱取300 mg樣品(SL、CSL)溶于15 mL體積比為1∶2的吡啶-醋酸酐溶液中， 通入氮?dú)廒s走瓶中空氣后， 迅速蓋緊瓶塞， 置于暗處， 室溫下反應(yīng)72 h。反應(yīng)完成后， 將溶液慢慢滴入攪動(dòng)著的200 mL乙醚中沉淀出乙酰化木素。用乙醚洗滌沉淀多次，直至無吡啶氣味， 最后置于放有P2O5的真空干燥箱中干燥[21]。

取乙?；蟮腟L和CSL各15 mg溶于1 mL DMSO-d6中，用于1HNMR的測定。

2 結(jié)果與分析

2.1元素分析

SL和CSL的元素含量如表3所示。由表3可以看出，SL和CSL均含有C、H、O、S元素和少量N元素，SL和CSL中C、H、O、N元素的含量分別為61.69%、5.44%、27.11%、0.17%和62.55%、5.57%、29.54%、0.15%。CSL中C、H、O元素含量都比SL高一些，S元素含量差異比較明顯，CSL的S含量為2.20%，SL的S含量為5.59%，其原因可能是由于在用乙醇對(duì)黑液進(jìn)行處理過程中，脫除了部分含硫物質(zhì)。通過對(duì)木素各元素含量進(jìn)一步處理，可以得到H/C、O/C的比例，具體結(jié)果如表4所示。

表3 SL和CSL元素分析 %

注 O含量為差減法所得。

表4 各元素與C的比例

由表4可以得到SL和CSL的理論分子式分別為C10H10.58O3.30N0.02和C10H10.68O3.54N0.02。

2.2紅外光譜分析

圖1 木素的紅外光譜圖

波數(shù)/cm-1歸屬3400～3450芳香族和脂肪族上的O—H伸縮振動(dòng)2937甲基、亞甲基C—H伸縮振動(dòng)1705非共軛的CO伸縮振動(dòng)1604芳香核及CO伸縮振動(dòng)1516芳香核振動(dòng)1461甲基或亞甲基的C—H伸縮振動(dòng)1327紫丁香基核振動(dòng)1214酚羥基的振動(dòng)吸收峰1160G單元中C—H彎曲振動(dòng)1115S單元中C—H伸縮振動(dòng)1031芳基C—H平面變形(G>S)、非共軛的CO伸縮振動(dòng)、仲醇C—O、甲基變形830芳香核在2,5和6位平面之外的C—H振動(dòng)(G型)

2.3紫外光譜分析

紫外光譜的主要作用是比較兩種木素的純度和主要官能團(tuán)。如圖2所示，SL和CSL紫外光譜圖比較相似，只是吸收強(qiáng)度有微弱的差異，這可能與其純度相關(guān)。由圖2可知，兩種木素樣品均在250 nm處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，這是木素苯環(huán)的特征吸收。而在300 nm處有微弱的吸收帶，可能是由于苯基香豆?jié)M(λmax=280)結(jié)構(gòu)在酸解過程中發(fā)生脫水形成苯基香豆酮結(jié)構(gòu)(λmax=310)。在370 nm處，兩種木素樣品均出現(xiàn)了明顯的吸收峰，但強(qiáng)度不大，這可能是缺乏縮合的酚羥基基團(tuán)的結(jié)果[24]。

圖2 兩種木素紫外光譜圖

2.41HNMR分析

核磁共振氫譜一般被用來分析物質(zhì)特定質(zhì)子的位移。SL和CSL的1HNMR譜圖及質(zhì)子峰歸屬分別見圖3、圖4和表6。由圖3、圖4和表6可知，兩種木素均為G-S型，化學(xué)移位6.80～7.25代表愈創(chuàng)木基芳香核上的質(zhì)子，化學(xué)移位6.28～6.80代表紫丁香基芳香核上的質(zhì)子，進(jìn)一步證明了這兩種木素結(jié)構(gòu)均含有G單元和S單元。從其他峰中可以得知CSL和SL主要都是由S單元和G單元通過β-O- 4型的C-O和β-1、β-5、β-β型的C—C鍵連接[25-26]，但是CSL中所含這些鍵在譜圖中體現(xiàn)得更明顯一些，可能是由于CSL所含雜質(zhì)少一些，影響氫譜的因素少一些所致。

圖3 SL的1HNMR譜圖

圖4 CSL的1HNMR譜圖

信號(hào)峰歸屬7.25～6.80愈創(chuàng)木基芳香核的質(zhì)子峰6.80～6.25紫丁香基芳香核的質(zhì)子峰6.25～5.75β-O-4和β-1結(jié)構(gòu)中α位氫質(zhì)子的信號(hào)峰5.75～5.20β-5結(jié)構(gòu)中α位氫質(zhì)子的信號(hào)峰5.20～4.90半纖維素上的氫質(zhì)子信號(hào)峰4.90～4.30β-O-4結(jié)構(gòu)中β位氫質(zhì)子和Hαinβ-β結(jié)構(gòu)中α位氫質(zhì)子的信號(hào)峰4.30～4.00β-O-4、β-β、β-5、β-1結(jié)構(gòu)中γ位氫質(zhì)子的信號(hào)峰4.00～3.48—OCH3結(jié)構(gòu)中氫質(zhì)子信號(hào)峰3.31水分子的氫質(zhì)子信號(hào)峰3.48～2.50Hβ結(jié)構(gòu)中β位氫質(zhì)子的信號(hào)峰2.50～2.20芳香族乙?；腺|(zhì)子峰2.20～1.90脂肪族乙?；腺|(zhì)子峰1.5～0.8脂肪族上質(zhì)子峰

另外，由于半纖維素的殘留，SL的譜圖在化學(xué)位移4.90～5.20處有微弱的峰出現(xiàn)。SL和CSL譜圖中化學(xué)位移4.00～3.48、2.50～2.20、2.20～1.90處分別為甲氧基上的H、芳香族乙?；系腍以及脂肪族乙酰基上的H的吸收峰[27]。

3 結(jié) 論

采用硫酸法和乙醇硫酸法從藍(lán)桉硫酸鹽法制漿黑液中提取硫酸木素(SL)和醇酸木素(CSL)，通過元素分析、紅外光譜、紫外光譜、核磁共振氫譜(1HNMR)對(duì)SL和CSL進(jìn)行了分析與表征。

(1)CSL中C、H、O、N元素含量分別為62.55%、5.57%、29.54%、0.15%，理論結(jié)構(gòu)式為C10H10.68O3.54N0.02;SL中C、H、O、N元素含量分別為61.69%、5.44%、27.11%、0.17%，理論結(jié)構(gòu)式為C10H10.58O3.30N0.02；CSL的H/C比例比SL高一些，從單一的元素成分含量來看說明CSL的元素成分含量純一些。無論是SL還是CSL，C、H、O的比例占95%以上，對(duì)于其利用，不管是燃燒還是制備碳纖維，都是有益的。

(2)無論是先用乙醇處理過的酸析木素(CSL)還是直接用酸處理得到的木素(SL)中都還有含有愈創(chuàng)木基單元(G型)和紫丁香基單元(S型)結(jié)構(gòu)單元，連接鍵類型為β-O- 4、β-1、β-5、β-β，含有較多的游離羰基、甲氧基和羥基等活性基團(tuán)，都表現(xiàn)為典型的闊葉樹材木素特征。木素所含活性基團(tuán)較多，也為后續(xù)改性利用提供了理論支持。

(3)從先用乙醇處理過再用硫酸酸析黑液提取的木素(CSL)不管是從元素組成還是結(jié)構(gòu)表征上，都比直接用硫酸從黑液中提取的木素(SL)性能優(yōu)異一些，而且雜質(zhì)少一些。

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ExtractionandCharacterizationofLigninfromKraftPulpingBlackLiquorofEucalyptus

LI Yuan-yuan WANG Chuan-gui*ZHANG Shuang-yan

(SchoolofForestry&LandscapeArchitecture,AnhuiAgricultureUniversity,Heifei,AnhuiProvince, 230036) (*E-mail: nj230036@163.com)

The lignins were extracted from kraft pulping black liquor of Eucalyptus by ethanol sulfuric acid and sulfuric acid respectively. These lignins were analysed and characterized by elemental analysis、 FT-IR、 UV spectrum and1HNMR.The results showed that the lignin separated by ethanol sulfuric acid (CSL) presented typical characteristics of lignin of hardwood, which included syringyl(S) and guaiacyl(G)units, and the amount of S units was higher than the G units; CSL main linkage bonds wereβ-O- 4、β-1、β-5、β-β, and it contained many more free carbonyl, methoxy and hydroxyl groups and other active groups; CSL composition elements were mainly C,H,O,N, and the contents were 62.55%、 5.57%、 29.54%、 0.15%, respectively,its theoretical molecular formula was C10H10.68O3.54N0.02. Compared with the lignin extracted directly from the black liquor(SL), CSL had less complex functional groups and molecular．

SL; CSL; extraction; FT-IR;1HNMR

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.10.004

2017- 06- 22(修改稿)

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——造紙黑液蒸發(fā)與分離特性研究(201504610-2)。

*通信作者：王傳貴，教授；主要從事生物質(zhì)材料加工及利用方面的研究。

(責(zé)任編輯：馬 忻)