離子液體處理纖維素

離子液體處理纖維素研究化學工藝常慶輝1可編輯ppt一、纖維素簡介二、纖維素應(yīng)用三、離子液體簡介四、纖維素溶解方法簡介五、結(jié)語2可編輯ppt

纖維素（cellulose）是由葡萄糖分子通過β-1,4-糖苷鍵連接而形成的葡聚糖。通常含數(shù)千個葡萄糖單位，是植物細胞壁的主要成分。不溶于水及一般有機溶劑。是植物細胞壁的主要成分。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。3可編輯ppt返回4可編輯ppt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，這是因為纖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)時氧橋斷裂，同時水分子加入，纖維素由長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)生化學反映，生成一系列與原來纖維素結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，這樣的反應(yīng)過程，成為纖維素氧化5可編輯ppt纖維素不溶于水和乙醇、乙醚等有機溶劑，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)生無限溶脹，使纖維素溶解。纖維素加熱到約150℃時不發(fā)生顯著變化，超過這溫度會由于脫水而逐漸焦化。纖維素與較濃的無機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，與強氧化劑作用生成氧化纖維素。返回6可編輯ppt2.1從纖維素制備乙醇一般，天然纖維索制備乙醇的過程主要包括3個階段，可由圖2表示。首先對原料進行預處理。預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)。預處理可以降低纖維素的分子質(zhì)量，打開其密集的晶狀結(jié)構(gòu)，以利于進一步的分解和轉(zhuǎn)化。預處理過程中，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—個研究重點。通常需經(jīng)過3個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)非常復雜，必須經(jīng)過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物理的、化學的或酶技術(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；第三階段是通過蒸餾回收乙醇7可編輯ppt8可編輯ppt2.2從纖維素制備氫氣

迄今為止，生物制取處理的對象主要為含糖和淀粉類碳水化合物的有機廢水，對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道。我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，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。也造成嚴重的環(huán)境污染問題。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)境污染問題，還可降低人們對于化石礦物燃料等一次性資源的依賴程度。9可編輯ppt2.3從纖維素制備生物柴油

生物柴油燃料又稱為“陽光燃料”，是以動植物油脂為原料經(jīng)過化學酯化反應(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，如較好的低溫發(fā)動機啟動性能、較好的潤滑性能；燃燒殘留物呈微酸性，使發(fā)動機機油的使用壽命延長；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，不含對環(huán)境會造成污染的芳香族烷烴；含氧量高，使其燃燒時排煙量減少；生物分解性高，有利于環(huán)境保護?？梢?，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)展生物柴油對經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展．推進能源替代，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10可編輯ppt3.1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)、有機離子液體等，目前還無統(tǒng)一的名稱，但傾向于簡稱離子液體。在離子化合物中，陰陽離子之間的作用力為庫侖力，其大小與陰陽離子的電荷數(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就越低。某些離子化合物的陰陽離子體積很大，結(jié)構(gòu)松散，導致它們之間的作用力較低，以至于熔點接近室溫。11可編輯ppt3.2離子液體的特點與傳統(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，其熔點在-96～300℃，且具有良好的物理和化學穩(wěn)定性；（2）通常無色無臭，蒸汽壓低，不易揮發(fā)，消除了有機物質(zhì)揮發(fā)而導致的環(huán)境污染問題；（3）對大量的無機和有機物質(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；12可編輯ppt（5）電化學穩(wěn)定性高，具有較高的電導率和較寬的電化學窗口，可用作電化學反應(yīng)介質(zhì)和電池溶液；（6）具有可設(shè)計性，離子液體性質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)陰陽離子的種類進行組合，被稱之為“綠色可設(shè)計溶劑”，理論上可根據(jù)需要，設(shè)計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)，離子液體被公認為是繼超臨界流體和雙水相之后的第三種綠色溶劑。13可編輯ppt

3.3離子液體的種類離子液體的分類方法總結(jié)起來有以下幾種：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)；

14可編輯ppt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。15可編輯ppt

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(復分解法)。一步法：主要包括中和法、微波法(操作簡單便捷)、叔胺與脂反應(yīng)及一罐法等。兩步法的過程是：第1步合成目標產(chǎn)物的鹵化物鹽，反應(yīng)需要有機溶劑、過量鹵代烷、加熱回流、純化等條件；第2步再將鹵負離子交換為所要的負離子，也有文獻報道用一步環(huán)合法(甲醛、伯胺、乙二醛、氨水和六氟磷酸水溶液按適當比例混合)直接合成咪唑類離子液體。返回16可編輯ppt4.1NaOH／CS2溶劑體系這種傳統(tǒng)方法生產(chǎn)黏膠需要使用CS2，會對環(huán)境造成較嚴重的污染，而且黏膠的生產(chǎn)工藝經(jīng)過化學變化，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)達國家已經(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是不穩(wěn)定，對氧和空氣非常敏感。溶解過程中倘若有氧的存在，會使纖維素發(fā)生劇烈的氧化降解，損害產(chǎn)品的質(zhì)量。

17可編輯ppt4.3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，甚至會發(fā)生爆炸，在儲存和生產(chǎn)中存在一定的危險性。另外，NMMO價格昂貴，必須使其回收率高于99.5％以上方具有經(jīng)濟價值，所得到的纖維價格居高不下。4.4NaOH／尿素水溶液體系4.5離子液體溶劑國內(nèi)外的很多科技工作者都投入了大量的精力開發(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。18可編輯ppt4.5.1綠色化學綠色化學又稱環(huán)境友好化學，它的主要特點是：

1.充分利用資源和能源，采用無毒、無害的原料；2.在無毒、無害的條件下進行反應(yīng)，以減少廢物向環(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，實現(xiàn)“零排放”；4.生產(chǎn)出有利于環(huán)境保護、社區(qū)安全和人體健康的環(huán)境友好的產(chǎn)品。19可編輯ppt

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，多種咪唑型的離子液體對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。一般認為，通過溶劑對纖維素大分子問的相互作用，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發(fā)生解離，形成游離的陽離子[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20可編輯ppt導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?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月，纖維素也不會析出，纖維素／[amim]CI溶液也不會發(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行纖維素的再生，是相當環(huán)境友好的制備再生纖維索的方法。21可編輯ppt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)學物理方法在此方面的應(yīng)用。未來離子液體研究的重點內(nèi)容將會是新型、功能特定的離子液體的設(shè)計、合成。順應(yīng)當前綠色化學新理念的要求，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22可編輯ppt21世紀是能源的世紀，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，而各國之