提取纤维素的研究

纤维素的提取

纤维素的提取根据所使用方法的不同可分为物理处理法和化学处理法。在实际应用中，大多是采用两种或两种以上方法的组合，以取长补短，发挥各自优势，改善纤维素分离提取的效果。

物理处理法

物理处理法主要包括机械粉碎、蒸汽爆破、微波和超声波辅助提取法等，一般用于纤维素提取的预处理工艺或是辅助工艺，其目的是去除木质素，半纤维素等对纤维素具有保护作用的成分，但是物理处理法需要进行处理时间和强度的优化以防止纤维素链的断裂。

化学处理法

化学处理法是应用化学制剂来打破木质素和纤维素的链接，同时使半纤维素溶解的过程。传统造纸工业的制浆过程就是采用化学方法进行处理的过程。化学处理法包括碱液分离法、酸处理、有机溶剂法、离子液体法等。

碱液具有溶胀纤维素，断裂纤维素与半纤维素间氢键的作用。常用的碱提取试剂有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙等。酸处理法常用的酸包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸等。有机溶剂法是采用单一或者复合有机溶剂（或外加一些催化剂）在一定的温度，压力条件下降解木质素和半纤维素，得到纤维素的方法。常用的有机溶剂包括有机酸、醇类、酮类等，而且提取过程中一般是将有机溶剂与水、碱或者酸混合作为提取剂。离子液体是一种近年新被广泛应用于绿色化学领域的环保溶液，具有良好的溶剂性、不挥发、对水和空气稳定等优点，被广泛地用来作为易挥发有机溶剂的绿色替代溶剂。

从绿色化学的角度看，目前的研究热点集中在利用离子液体溶解纤维素后再进行再生的提取方法。溶解剂包括多聚甲醛/二甲基亚砜（PF/DMSO）体系，NH3/NH4SCN体系，氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）体系，胺氧化物体系等溶剂体系。

PF/DMSO溶剂体系能够溶解纤维素是由于在溶解过程中反应生成了可溶于二甲基亚砜的中间产物羟甲基纤维素，无降解过程。其中羟甲基纤维素是由多聚甲醛受热分解产生的甲醛与纤维素反应生成的。该过程的优点十分突出，溶剂易得、反应速度较快，而且溶液体系稳定。但是该方法存在溶剂回收困难，所得产品结构有缺陷，而且品质不均一等缺点。

在一定的条件，纤维素可在NH3/NH4SCN/H2O体系中形成均匀透明的溶液。该溶剂体系低廉、易得，能在纤维素浓度较低时就得到中间相的溶液，而且纤维素不发生降解。但是该方法需要经过多次的冷冻和解冻的循环过程，不利于工业化生产。

LiCl/DMAc体系可不形成中间产物直接溶解纤维素，纤维素的氢键结构使其在该溶剂体系中可以与LiCl/DMAc形成配合物，从而得到真溶液。该溶解方法非常稳定，可进行均相反应。但是研究表明仅当LiCl的含量为10 %时，即DMAc/LiCl的摩尔比为4:1，LiCl/DMAc 体系才对纤维素有溶解能力。而且LiCl价格昂贵，回收困难，所以该体系目前还一直停留在实验室研究阶段。

胺氧化合物体系主要有N-甲基氧化吗啉、N,N-二甲基氧化乙醇胺、N,N-二甲基氧化环己胺等几种，他们均证实对纤维素有一定的溶解性。目前研究表明只有N-甲基氧化吗啉（NMMO）/H2O体系被认为是前途可观，可以实现工业化的溶剂体系。目前国内外已经对NMMO溶解工艺做了大量的研究。其机理是NMMO中的强极性官能团N-O与纤维素分子中的羟基作用，构成新的氢键，形成纤维素-NMMO-H2O络合物，从而破环了纤维素分子间的氢键。这种破坏首先在纤维素的无定形区进行，而后逐渐进入结晶区，最终使纤维素溶解。无水NMMO对纤维素的溶解能力最强，但是其溶解温度接近于其熔点（184 ℃），使得纤维素和溶剂在溶解过程中降解，释放出胺类等有毒物质，因此在溶解时一般加入一定的抗氧化剂。然而，随着溶剂中含水量的增加，纤维素的溶解性逐渐减弱，当NMMO水合物的含

水量大于17 %时，溶解性能完全消失。这是因为虽然水和纤维素都可与NMMO形成氢键，但是NMMO的吸水性使其更易与水形成氢键。水含量高时，氢键已完全形成与NMMO和水分子之间，而不是与纤维素形成氢键，使纤维素不能溶解。含水量为13.3 %的NMMO·H2O 为对纤维素溶解的最适宜浓度。

除此之外，目前国内专利报道中也有使用1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和嘧啶混合物离子液体，咪唑类化合物与卤代烷烃合成的离子液体来提取纤维素。