離子液體處理纖維素

離子液體處理纖維素第1頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、纖維素簡(jiǎn)介二、纖維素應(yīng)用三、離子液體簡(jiǎn)介四、纖維素溶解方法簡(jiǎn)介五、結(jié)語(yǔ)第2頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月纖維素（cellulose）是由葡萄糖分子通過(guò)β-1,4-糖苷鍵連接而形成的葡聚糖。通常含數(shù)千個(gè)葡萄糖單位，是植物細(xì)胞壁的主要成分。不溶于水及一般有機(jī)溶劑。是植物細(xì)胞壁的主要成分。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花的纖維素含量接近100%，為天然的最純纖維素來(lái)源。一般木材中，纖維素占40～50%，還有10～30%的半纖維素和20～30%的木質(zhì)素。第3頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月返回第4頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月纖維素的性質(zhì)

1、溶解性常溫下，纖維素既不溶于水，又不溶于一般的有機(jī)溶劑，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。它也不溶于稀堿溶液中。因此，在常溫下，它是比較穩(wěn)定的，這是因?yàn)槔w維素分子之間存在氫鍵力。

2、纖維素水解在一定條件下，纖維素與水發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)氧橋斷裂，同時(shí)水分子加入，纖維素由長(zhǎng)鏈分子變成短鏈分子，直至氧橋全部斷裂，變成葡萄糖。

3、纖維素氧化纖維素與氧化劑發(fā)生化學(xué)反映，生成一系列與原來(lái)纖維素結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，這樣的反應(yīng)過(guò)程，成為纖維素氧化第5頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月纖維素不溶于水和乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑，能溶于銅氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和銅乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu（OH）2溶液等。水可使纖維素發(fā)生有限溶脹，某些酸、堿和鹽的水溶液可滲入纖維結(jié)晶區(qū)，產(chǎn)生無(wú)限溶脹，使纖維素溶解。纖維素加熱到約150℃時(shí)不發(fā)生顯著變化，超過(guò)這溫度會(huì)由于脫水而逐漸焦化。纖維素與較濃的無(wú)機(jī)酸起水解作用生成葡萄糖等，與較濃的苛性堿溶液作用生成堿纖維素，與強(qiáng)氧化劑作用生成氧化纖維素。返回第6頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1從纖維素制備乙醇一般，天然纖維索制備乙醇的過(guò)程主要包括3個(gè)階段，可由圖2表示。首先對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理是指溶解和分離生物質(zhì)主要成分中的一種和幾種：纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和其他可溶性物質(zhì)。預(yù)處理可以降低纖維素的分子質(zhì)量，打開(kāi)其密集的晶狀結(jié)構(gòu)，以利于進(jìn)一步的分解和轉(zhuǎn)化。預(yù)處理過(guò)程中，半纖維素通常直接被水解成單糖(木糖、阿拉伯糖等)，剩下的不溶物質(zhì)主要是纖維素和木質(zhì)素。其中，利用纖維素制備乙醇是—個(gè)研究重點(diǎn)。通常需經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟才可以從纖維素制得乙醇：由于天然纖維素原料的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，必須經(jīng)過(guò)處理使其降解成為小分子糖才能被微生物所利用，所以第一階段需通過(guò)物理的、化學(xué)的或酶技術(shù)將纖維素聚合物降解為單糖；第二階段是微生物(一般采用酵母)將糖轉(zhuǎn)化為乙醇；第三階段是通過(guò)蒸餾回收乙醇第7頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第8頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2從纖維素制備氫氣

迄今為止，生物制取處理的對(duì)象主要為含糖和淀粉類碳水化合物的有機(jī)廢水，對(duì)于含纖維素類生物質(zhì)的生物制氫，例如農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、農(nóng)作物秸稈等的生物制取研究則甚少報(bào)道。我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)資源極為豐富，除少量被用在飼料外，大多被廢棄或焚燒，不僅造成資源的浪費(fèi)。也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。如能將這些可再生的生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為氫能，不僅可以減少由于生物質(zhì)廢棄物的堆積、焚燒所造成的環(huán)境污染問(wèn)題，還可降低人們對(duì)于化石礦物燃料等一次性資源的依賴程度。第9頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3從纖維素制備生物柴油

生物柴油燃料又稱為“陽(yáng)光燃料”，是以動(dòng)植物油脂為原料經(jīng)過(guò)化學(xué)酯化反應(yīng)制得的改性脂肪酸單酯，包括脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和脂肪酸丙酯等。它具有與從石油中煉制的柴油相似的燃燒特性，故被稱為生物柴油。與石油柴油相比．生物柴油具有很多優(yōu)點(diǎn)，如較好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能、較好的潤(rùn)滑性能；燃燒殘留物呈微酸性，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的使用壽命延長(zhǎng)；硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低；燃燒后廢氣中微小顆粒物含量低，不含對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染的芳香族烷烴；含氧量高，使其燃燒時(shí)排煙量減少；生物分解性高，有利于環(huán)境保護(hù)?？梢?jiàn)，生物柴油是清潔的可再生能源，是一種典型的“綠色能源”，大力發(fā)展生物柴油對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展．推進(jìn)能源替代，減輕環(huán)境壓力．控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。返回第10頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.1離子液體的定義

離子液體即在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)的由離子構(gòu)成的物質(zhì)，又稱為室溫離子液體（roomtemperatureionicliquid）、室溫熔融鹽（roomtemperaturemoltensalts)、有機(jī)離子液體等，目前還無(wú)統(tǒng)一的名稱，但傾向于簡(jiǎn)稱離子液體。在離子化合物中，陰陽(yáng)離子之間的作用力為庫(kù)侖力，其大小與陰陽(yáng)離子的電荷數(shù)量及半徑有關(guān)，離子半徑越大，它們之間的作用力越小，這種離子化合物的熔點(diǎn)就越低。某些離子化合物的陰陽(yáng)離子體積很大，結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致它們之間的作用力較低，以至于熔點(diǎn)接近室溫。第11頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.2離子液體的特點(diǎn)與傳統(tǒng)溶劑相比，離子液體具有如下特性：（1）液體狀態(tài)溫度范圍寬，其熔點(diǎn)在-96～300℃，且具有良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性；（2）通常無(wú)色無(wú)臭，蒸汽壓低，不易揮發(fā)，消除了有機(jī)物質(zhì)揮發(fā)而導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題；（3）對(duì)大量的無(wú)機(jī)和有機(jī)物質(zhì)具有良好的溶解能力，并具有溶劑和催化劑的雙重功能，可作為許多化學(xué)反應(yīng)的溶劑或催化活性載體；（4）具有較大的極性可調(diào)控性，可以形成兩相或多相體系，適合用作分離溶劑或構(gòu)成反應(yīng)分離耦合新體系；第12頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（5）電化學(xué)穩(wěn)定性高，具有較高的電導(dǎo)率和較寬的電化學(xué)窗口，可用作電化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)和電池溶液；（6）具有可設(shè)計(jì)性，離子液體性質(zhì)可以通過(guò)調(diào)節(jié)陰陽(yáng)離子的種類進(jìn)行組合，被稱之為“綠色可設(shè)計(jì)溶劑”，理論上可根據(jù)需要，設(shè)計(jì)出滿足不同體系需求種類的離子液體；（7）熱容量大，比較低的粘度。由于具有這些特殊性質(zhì)，離子液體被公認(rèn)為是繼超臨界流體和雙水相之后的第三種綠色溶劑。第13頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.3離子液體的種類離子液體的分類方法總結(jié)起來(lái)有以下幾種：按照是否為Alcl3型分為3類，AlCl3型離子液體、非AlCl3型離子液體及其他特殊離子液體；按照陽(yáng)離子分為，烷基季銨離子[NRxH4-x]

+、烷基季磷離子[PRxH4-x]

+、烷基咪唑類[R1R2R3IM]+、烷基吡啶類[RPy]+；按陰離子分為，金屬類(如AlCl4一、CuCI2一等)和非金屬類(如N02一、PO4一等)；

第14頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按照Lewis酸性可分為，可調(diào)酸性的離子液體(如AlCl3型)和中性的離子液體(如BF4一、PF6一等)；還可從水溶性角度將其分為親水型離子液體與憎水型離子液體。第15頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.4離子液體的合成合成方法分為一步法與兩步法，但多數(shù)合成采用兩步法(復(fù)分解法)。一步法：主要包括中和法、微波法(操作簡(jiǎn)單便捷)、叔胺與脂反應(yīng)及一罐法等。兩步法的過(guò)程是：第1步合成目標(biāo)產(chǎn)物的鹵化物鹽，反應(yīng)需要有機(jī)溶劑、過(guò)量鹵代烷、加熱回流、純化等條件；第2步再將鹵負(fù)離子交換為所要的負(fù)離子，也有文獻(xiàn)報(bào)道用一步環(huán)合法(甲醛、伯胺、乙二醛、氨水和六氟磷酸水溶液按適當(dāng)比例混合)直接合成咪唑類離子液體。返回第16頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4.1NaOH／CS2溶劑體系這種傳統(tǒng)方法生產(chǎn)黏膠需要使用CS2，會(huì)對(duì)環(huán)境造成較嚴(yán)重的污染，而且黏膠的生產(chǎn)工藝經(jīng)過(guò)化學(xué)變化，纖維中含有有害物質(zhì)，用這種方法生產(chǎn)再生纖維素在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)被淘汰。

4.2銅氨（氫氧化銅的氨水溶液）溶液銅氨溶劑的缺點(diǎn)是不穩(wěn)定，對(duì)氧和空氣非常敏感。溶解過(guò)程中倘若有氧的存在，會(huì)使纖維素發(fā)生劇烈的氧化降解，損害產(chǎn)品的質(zhì)量。

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4.3胺氧化合物系列

以N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)為例

NMMO極易被氧化，甚至?xí)l(fā)生爆炸，在儲(chǔ)存和生產(chǎn)中存在一定的危險(xiǎn)性。另外，NMMO價(jià)格昂貴，必須使其回收率高于99.5％以上方具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所得到的纖維價(jià)格居高不下。

4.4NaOH／尿素水溶液體系

4.5離子液體溶劑國(guó)內(nèi)外的很多科技工作者都投入了大量的精力開(kāi)發(fā)新型纖維素溶劑體系，離子液體的出現(xiàn)有望成為纖維素的一種新型的綠色溶劑。第18頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.5.1綠色化學(xué)綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué)，它的主要特點(diǎn)是：

1.充分利用資源和能源，采用無(wú)毒、無(wú)害的原料；2.在無(wú)毒、無(wú)害的條件下進(jìn)行反應(yīng)，以減少?gòu)U物向環(huán)境排放；3.提高原子的利用率，力圖使所有作為原料的原子都被產(chǎn)品所消納，實(shí)現(xiàn)“零排放”；4.生產(chǎn)出有利于環(huán)境保護(hù)、社區(qū)安全和人體健康的環(huán)境友好的產(chǎn)品。第19頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，多種咪唑型的離子液體對(duì)纖維素均有良好的溶解性能，如1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽([amim]CI)、1-乙基-3-甲基瞇唑氯鹽([emim]Cl)等。一般認(rèn)為，通過(guò)溶劑對(duì)纖維素大分子問(wèn)的相互作用，破壞纖維素分子內(nèi)和分子同存在的大量氫鍵是使纖維素在溶劑中溶解的前提。以[amim]CI為例：在加熱條件下，離子液體中的離子對(duì)發(fā)生解離，形成游離的陽(yáng)離子[amim]+和陰離子CI一，陰離子CI一與纖維素大分子鏈中羥基上的氫原子形成氫鍵，而游離的陽(yáng)離子[amim]+與纖維素大分子鏈中羥基上的氧原子作用，從而破壞了纖維素中原有的氫鍵，4.5.2離子液體溶劑現(xiàn)狀第20頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)致纖維素在離子液體中的溶解。纖維素的離子液體溶液具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。張軍等人發(fā)現(xiàn)，纖維素在[amim]CI中溶解完全后，得到透明的、琥珀色的溶液，當(dāng)冷卻到室溫后，溶液能繼續(xù)保持液體狀態(tài)，即使在室溫下保存三個(gè)月，纖維素也不會(huì)析出，纖維素／[amim]CI溶液也不會(huì)發(fā)生固化和結(jié)晶。由于離子液體[amim]CI和[bmim]CI均是親水性，可以以任意比例與水互溶，因此纖維素的離子液體溶液可以以水為凝同劑進(jìn)行纖維素的再生，是相當(dāng)環(huán)境友好的制備再生纖維索的方法。第21頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子液體的研究總體上還處于初期階段，在應(yīng)用方面還存在不足：制備成本較高，產(chǎn)品要達(dá)到高純度較困難；離子液體參與的化工催化工藝還不成熟；描述物化性質(zhì)的數(shù)據(jù)量不足，限制了數(shù)學(xué)物理方法在此方面的應(yīng)用。未來(lái)離子液體研究的重點(diǎn)內(nèi)容將會(huì)是新型、功能特定的離子液體的設(shè)計(jì)、合成。順應(yīng)當(dāng)前綠色化學(xué)新理念的要求，有特定功能、本質(zhì)環(huán)境友好、可降解的離子液體將備受青睞。返回第22頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月21世紀(jì)是能源的世紀(jì)，隨著煤炭、石油、天然氣等化石能源的不斷枯竭，人類的發(fā)展已經(jīng)受到了很大的限制，而各國(guó)之間因?yàn)槟?/p>