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竹粉乙二醇微波液化工藝的優化

2023年10月14日

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錢善勤,文 勝,廖政達,玉 瀾,余良芳,陳秋連
(柳州師範高等專科學校化學與生命科學系,廣西 柳州 545004)
摘要:為了研究竹粉乙二醇微波液化的優化工藝,採用單因素試驗確定所需的反應時間、反應溫度、催化劑濃硫酸用量及乙二醇與竹粉質量比,研究微波作用對竹粉乙二醇液化效果的影響,再由正交試驗確定微波液化的最佳工藝條件。結果表明,反應溫度的影響最為顯著,竹粉乙二醇微波液化的最佳工藝條件為反應溫度170 ℃,反應時間4 min,催化劑濃硫酸用量5%,乙二醇與竹粉的質量比為6∶1。
關鍵詞 :竹粉;乙二醇;微波;液化工藝
中圖分類號:TQ353.4+1文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2015)05-1166-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.035
收稿日期:2014-12-16
基金項目:廣西教育廳科研項目(LX2014494);柳州師範高等專科學校科研創新團隊建設項目
作者簡介:錢善勤(1981-),男,江蘇泰州人,副教授,博士,主要從事環境生物學方面的研究,(電話)18078201020(電子信箱)qianshanqin@163.com;
通信作者,廖政達(1967-),教授,碩士,主要從事天然植物纖維素的改性與應用研究,(電子信箱)lzszliaozhengda@163.com。
竹子是一種用途廣泛的生物質資源,具有特殊的能源利用價值及藥用價值。近年來,對竹類加工殘渣及竹纖維的液化研究非常廣泛[1-3]。竹粉的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素,在高溫條件下可以裂解為製備聚氨酯材料的低分子多元醇[4,5],但竹粉是否能作為合成聚氨酯的多元醇原料,主要在於液化技術的研究與開發[6,7]。當前竹粉的液化主要有油浴加熱和微波加熱兩種方法,但油浴方法存在反應時間長、液化效率低等問題,微波液化因其具有加熱升溫快,液化效率高等優點已得到廣泛重視[8,9]。
關於纖維素的液化工藝以及液化劑的研究已有很多,如採用苯酚、乙醇、乙二醇和聚乙二醇等作為液化劑[9-12],在前期研究中,筆者也採用苯酚作為反應試劑[10],但由於苯酚具有一定的毒性,其應用受到一定的限制。本試驗重點研究了乙二醇微波液化技術,以期獲得滿足生物可降解聚氨酯泡沫材料生產要求的植物多元醇。在前人研究的基礎之上,本試驗採用單因素試驗確定液化時間、反應溫度、催化劑用量及竹粉與乙二醇質量比等條件,研究微波作用對竹粉乙二醇液化效果的影響,由正交試驗確定微波液化的最佳工藝條件。
1 材料與方法
1.1 材料
竹粉:購於廣西柳州市融安縣豐園竹木加工有限公司。將竹粉粉碎、過篩,取40~80目的竹粉作為試驗材料,於(100±5) ℃的烘箱中烘乾至恆重,用自封袋密封好放入乾燥器中保存備用。
1.2 試劑及儀器
乙二醇(甘醇)、濃硫酸、無水乙醇,均為分析純,購於西隴化工股份有限公司。
FW100型萬能粉碎機(天津泰斯特儀器有限公司);YHG-600BS型遠紅外快速乾燥箱(上海躍進醫療器械有限公司);FA2004B型電子天平(上海躍平科學儀器有限公司);SHZ-D(III)型循環水式真空泵(河南鞏義市予華儀器有限公司);XH-MC-1型祥鵠實驗室微波合成儀(北京祥鵠科技發展有限公司);RE-52AA型旋轉蒸發器(上海亞榮生化儀器廠)。
1.3 方法
1.3.1 竹粉的液化 稱取5 g竹粉倒入三頸燒瓶中,按預設比例加入乙二醇、催化劑濃硫酸,混合搖勻,放入預設好功率、反應溫度、時間等參數的微波合成儀中反應,待反應結束後,迅速取出三頸燒瓶進行快速冷卻,用已知質量的濾紙進行減壓抽濾,用無水乙醇洗滌殘渣,至濾液變成無色為止。
1.3.2 竹粉液化率的測定 抽濾結束後,將濾紙及殘渣一起放入烘箱於(100±5) ℃下烘乾至恆重,並用如下公式計算竹粉的液化率:
YL=(m0-mr)/m0×100%
式中,mr為竹粉液化殘渣質量;m0為液化前竹粉質量;YL為竹粉液化率。
1.3.3 單因素試驗
1)乙二醇與竹粉質量比為6∶1,反應溫度為150 ℃,催化劑濃硫酸用量為5%,反應時間設為2、3、4、5、6、7、8 min進行液化反應,分析反應時間對竹粉液化率的影響。
2)在乙二醇與竹粉質量比為6∶1,反應時間為5 min,催化劑濃硫酸用量為5%的條件下,分析反應溫度(90、110、130、150、170 ℃)對竹粉液化率的影響。
3)反應溫度為150 ℃、反應時間5 min、催化劑濃硫酸用量為5%時,分析乙二醇與竹粉質量比(4∶1、5∶1、6∶1、7∶1和8∶1)對竹粉液化率的影響。
4)反應溫度為150 ℃、乙二醇與竹粉質量比為6∶1、反應時間為5 min,研究不同用量催化劑濃硫酸對竹粉液化率的影響,催化劑用量設為2%、3%、4%、5%、6%和7%。
1.3.4 正交試驗優化竹粉液化工藝 在單因素試驗法確定反應時間、反應溫度、乙二醇與竹粉質量比及催化劑用量對竹粉液化的作用範圍的基礎上,採用L9(34)正交試驗方法研究反應溫度(A)、反應時間(B)、乙二醇與竹粉質量比(C)、催化劑用量(D)的交互作用對竹粉微波液化效果的影響,從而確定竹粉微波液化的最佳工藝條件。正交試驗因素與水平見表1。
2 結果與分析
2.1 單因素試驗結果
2.1.1 反應時間對竹粉液化率的影響 從圖1可以看出,反應時間為2 min時,竹粉液化率較低,只有76.24%。當反應時間為3 min時,液化率上升為86.52%;4 min時,液化率達到90.49%,之後液化率隨反應時間緩慢升高。由此可見,隨著反應時間的延長,竹粉的液化率呈上升的趨勢,但當達到一定時間後,竹粉液化率的上升趨勢變小。選擇反應時間3、4、5 min進行後續試驗。
2.1.2 反應溫度對液化率的影響 從圖2中可以看出,隨著反應溫度的不斷升高,竹粉反應體系的液化率呈上升趨勢。反應溫度為90 ℃時,竹粉液化率僅為65.38%;反應溫度為130 ℃時,液化率上升到83.04%;當反應溫度為170 ℃時,竹粉液化率最高,達到92.89%。因此可以得出,竹粉反應體系的液化率隨著反應溫度的增加而呈上升趨勢,當反應溫度超過150 ℃時,竹粉液化率的上升趨勢變緩。選擇130、150、170 ℃進行正交試驗。
2.1.3 乙二醇與竹粉質量比對竹粉液化率的影響
從圖3中可知,乙二醇與竹粉質量比為4∶1時,竹粉液化率僅為79.17%,隨著乙二醇與竹粉質量比的加大,液化率逐漸增高,在質量比達到7∶1時,竹粉液化率為90.53%,而8∶1的質量比體系下的液化率與7∶1的液化率基本持平。由此可以得出,隨著乙二醇質量的增大,反應體系增大,從而也提高了液化反應的效率,但當乙二醇與竹粉質量比超過7∶1時,竹粉的液化率增幅變緩。說明乙二醇質量的增加對提高液化率有一定的作用,但也並不是越大越好。選擇二者質量比5∶1、6∶1、7∶1進行後續正交試驗。
2.1.4 催化劑濃硫酸用量對竹粉液化率的影響 由圖4可見,當反應體系的催化劑濃硫酸用量為2%時,竹粉液化率較低,只有78.18%;當催化劑用量為3%時,液化率為81.42%;催化劑用量為4%時,液化率為83.72%。隨著催化劑用量的增加,液化率呈明顯的上升趨勢,當催化劑用量為6%時,其竹粉液化率達到90.81%;催化劑用量為7%時,液化率則高達91.10%。選擇催化劑濃硫酸用量為4%、5%、6%進行後續試驗。
2.2 正交試驗結果
根據單因素試驗的結果,在各單因素中選取相應的條件進行設置,採用L9(34)正交試驗方法對竹粉液化反應工藝進行優化,正交試驗結果見表2。運用微波法對竹粉進行液化,結果表明,影響竹粉液化率的各因素大小順序為反應溫度、反應時間、催化劑用量、乙二醇與竹粉質量比。通過正交試驗,優化反應工藝,發現反應溫度、反應時間對液化效果的影響尤為顯著。優化後的工藝條件為A3B2C2D2,即反應溫度170 ℃,反應時間4 min,乙二醇與竹粉質量比為6∶1,催化劑用量為5%。在此最佳優化工藝條件下進行驗證試驗,得到竹粉的液化率為97.53%。
3 小結
1)竹粉纖維的結構較為複雜,直接利用比較難,通過微波分解方法將其液化,轉化為可利用的小分子多元醇,為其綜合應用提供了廣闊的前景。
2)單因素試驗和正交試驗的結果表明,竹粉乙二醇微波液化的優選工藝為催化劑濃硫酸用量為5%,反應溫度170 ℃,乙二醇與竹粉質量比6∶1,反應時間4 min。在此條件下,竹粉的液化率可達97.53%。
3)以濃硫酸為催化劑,竹粉在乙二醇中可以很好地進行微波液化,在液化過程中,液化反應溫度對液化效果的影響最為顯著,其次為液化反應時間、催化劑用量和乙二醇與竹粉質量比。在試驗範圍內,溫度越高、乙二醇用量越大、液化反應時間越長、催化劑用量越大,竹粉的微波效果越好,但過高的反應溫度,過多使用乙二醇和濃硫酸,將會大大增加能耗,對反應設備及環境的影響也較大,故在實際的生產中應適當控制其用量。
參考文獻:
[1] 方紅霞,潘 健,吳強林,等.竹基剩餘物高值轉化技術與材料化應用[J].現代化工,2010,30(1):78-81.
[2] 方紅霞,孫金余,吳強林,等.竹纖維素微粉的結構與性能研究[J].纖維素科學與技術,2011,19(1):29-34.
[3] 方紅霞,王 賓,李長江,等.竹材剩餘物竹粉的選擇性酚化產物研究[J].天然產物研究與開發,2011(23):866-869,912.
[4] 徐莉莉,廖 兵,年福偉,等.竹粉的多元醇液化及其在半硬質聚氨酯泡沫中的應用[J].林產化學與工業,2013,33(6):48-54.
[5] 楊小旭,龐 浩,張容麗,等.竹粉在多元醇中熱化學液化的研究[J].聚氨酯工業,2008,23(5):16-19.
[6] 方向宏,方紅霞.竹粉酚化配方和工藝條件研究[J].黃山學院學報,2010,12(3):35-37.
[7] 張金萍,杜孟浩,王敬文.不同液化條件對毛竹粉多元醇液化產物分子量的影響[J].江西農業大學學報,2010,32(6):1191-1194.
[8] 柴希娟,陶 磊.微波液化竹粉及聚醚多元醇的製備[J].纖維素科學與技術,2014,22(3):1-4,11.
[9] 柴希娟.微波加熱下竹粉苯酚液化的優化工藝研究[J].西南林業大學學報,2014,34(2):108-110.
[10] 廖政達,藍峻蜂,謝濟運.甘蔗渣苯酚液化的工藝研究[J].安徽農業科學,2011,39(22):13501-13502,13505.
[11] 廖益強,郭銀清,盧澤湘,等.竹粉乙醇液化及其產物表征[J].中國農業大學學報,2014,19(2):43-50.
[12] 柴希娟,羅儒芳.聚乙二醇中竹粉液化的工藝研究[J].西南林業大學學報,2011,31(5):83-86.

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