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科研进展

我室徐峻教授级高级工程师课题组Green Chemistry:低能耗可持续制浆新技术---桉木板皮DES制浆研究

发布时间:2023-04-26 访问次数:1354

  研究背景

  实现碳达峰和碳中和是解决资源环境约束突出问题和实现人类永续发展的必然选择。为了控制温室气体排放量,欧盟和中国政府都提出了相应的减排目标。对于制浆工业来说,最常用的制浆工艺是化学法制浆,尤其是硫酸盐法制浆。这种工艺可以部分回收过程中的化学药品和热能,适用于多种原材料,且所生产纸浆质量高。硫酸盐法制浆是通过化学方法破坏木质纤维素的结构,生产高质量的纤维,但木质素和半纤维素作为黏合剂,使得木质纤维素的结构非常紧密,需要高温(155-175 ℃)、长时间(2-3小时)来分离纤维,能耗较大。因此,亟需开发更加环保和低碳的生产工艺,以支持全球碳减排事业的发展。

  近期,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室徐峻教授级高级工程师课题组基于前期开发的苄基三乙基氯化铵(BTEAC)-甲酸(FA)低共熔溶剂体系,利用其出色的切断木素β-O-4连接键能力,实现了在温和的制浆条件下(常压,T = 130 ℃,t = 2.0 h)解构木质纤维素原料的致密结构,分散出纤维。所得浆料的细浆得率达到了53.83%,纤维长度为0.65 mm,细小纤维含量为6.21%。DES纸浆的物理强度与其他传统工艺制成的纸浆相近;而且,该DES制浆工艺所得的木素具有产量高(75.68-82.46%)、纯度高(93.23-95.70%)、缩合程度低、分子量分布窄的优点,有较为广阔的应用前景。最后,为了探究BTEAC/FA应用于实际生产的潜力,本工作又使用了针叶木原料(松木)和非木材原料(芦苇),结果证明BTEAC/FA均能在相对温和条件下使两种原料解离成制浆,这为新型低能耗制浆技术开发提供了新的思路。

  图文解读

  该工作利用DES溶剂可在低温下分离木质素的特点,基于造纸工业所用的木片原料,筛选开发了苄基三乙基氯化铵(BTEAC)-甲酸(FA)低共熔溶剂体系,探究了不同温度、DES摩尔比和处理时间下的所得底物的外观形貌和化学组分等特性(图1),结果显示采用DES可以获得较高得率和性能良好的纸浆。该溶剂体系用于松木和麦草的处理(图2),也显示出良好的适应性。

 图1 (a) DES蒸煮示意图;(b)不同蒸煮温度下所得浆料实物图;(c)不同DES摩尔比和蒸煮时间下的粗浆和细浆得率(T=130 ℃);(d)原料和细浆的化学成分。

 图2 (a-c)松木原料、粗浆、细浆实物图;(d-f)芦苇原料、粗浆、细浆实物图。

  在蒸煮废液回收方面,本工作直接使用甲酸进行洗涤,随后进行废液中甲酸的回收,避免其它溶剂的引入和减少后续脱水过程中甲酸损失,回收的甲酸无需额外处理便可直接用于新的蒸煮与洗涤过程。其次,过程中产生的和回收的酸性废水可直接用于木素沉淀,能够循环使用多次,当废水中的甲酸累积到一定量时,再送到专门的甲酸精馏车间处理,减轻末端废水处理负荷。每次BTEAC和FA的回收率都保持在92%和85%左右(图3a),经5次回收后的DES,未经额外的纯化处理,其处理桉木板皮的细浆得率仍保持在45%左右(图3b)。

 图3 (a)不同回用次数下的药品回收率;(b)不同回用次数下的粗细浆得率。

  该工作以“A low-energy and sustainable pulping technology for eucalyptus slabs using a deep eutectic solvent”为题发表在《Green Chemistry》上。文章的第一作者为华南理工大学张兆辉博士,通讯作者为华南理工大学徐峻教授级高级工程师和朱师云博士后。该研究工作得到广东重点领域研发计划、山东省济宁市重点研发计划和广东省植物资源生物炼制重点实验室项目的支持。

  原文链接:https://doi.org/10.1039/D3GC00589E