本科外文翻译及原文

通过常压醋酸工艺分馏小麦秸秆

摘要：在常压乙酸工艺下对小麦秸秆分馏进行了研究。在90％（体积浓度）含水乙酸，4％H2SO4（在秸秆中质量浓度），固液比0.1，制浆温度105℃，制浆时间3小时的典型条件下，麦秆中分馏得到纸浆（纤维素），木质素和主要由半纤维素得来的单糖的产率分别为50％，15％和35％。这种乙酸纸浆可制成合格强度纸和具有短的漂白工序，

可漂白到超过85％的高亮度。乙酸纸浆也用于燃料和化学制品的潜在原料。乙酸法在很大程度上分离了小麦秸秆中的戊糖和己糖。大部分的戊糖（木聚糖）溶解，而己糖（葡聚糖）残留在纸浆中。在醋酸制浆中大约30%的小麦秸秆碳水化合物水解成单糖,其中木糖占70%,葡萄糖占12%。这种乙酸木质素显示相对低分子量和熔融性,使木质素有希望成为许多产品原材料,如胶粘剂和模制产品。

关键词：麦秸；乙酸；分离；表征；木质素；半纤维素；纤维素

1.引言

小麦秸秆是农业残留物,在世界各地每年大量产生。每千克粮食的平均秸秆产量为1.3-1.4kg。在北美和欧洲，小麦秸秆年产近300万吨（蒙塔内等人，1998年）。小麦秸秆是一种木素纤维素物质含有约35-40％的纤维素，30-35％的半纤维素，10-15％的木质素，5-10％的矿物质和少量其他成分的。

尽管一直有巨大的努力试图将其转换成高附加值产品，但麦秸仍未被充分利用，尤其是在发达国家。目前，除残留在现场的结合到土壤，小麦秸秆主要用于几个应用。当小麦秸秆被用作牲畜饲料，预处理通常需要提高消化率(Jackson, 1977；Flachowsky 等人，1996；Karunanandaa 和V arga，1996)。此外，关于木质纤维素物质生物转化成生物化学品和生物燃料的文献已大量发表。(Garde等人，2002年; Berndes等人，2001年；Chum和Overend，2001年; Kaylen等人，2000年；Lee，1997年)。由于木质纤维素的材料在其天然形式是仅部分消化，许多机械，化学和生物预处理工艺已经提出了扣除易受到酶和微生物的作用，如蒸汽爆破(Montane等，1998)，稀酸水解(Grohmann等，1985)，湿法氧化(Klinke等，2002)，热水预水解(Lawther

等，1996; Kubikova等，1996)和有机溶剂法(Jimenez等，1997；Sun 等，1997)。

小麦秸秆可以作为纸浆和造纸工业的原料。这在森林资源短缺的国家是特别重要的，如中国(Hammett 等，2001)。在中国，每年草浆生产超过900万吨，占约全球稻草制浆产能的90％(Atchison, 1996)。不过，秸秆制浆也有几个棘手的问题。质量低下的纤维和大量非纤维细胞稻草的草浆受限只能作低品位纸使用。非纤维细胞导致草浆滤水性能差,引起洗涤、压缩、和纸张成型操作困难。此外，还有秸秆制浆废液回收体系粘度高，热值低，特别是二氧化硅含量高的问题。其结果是，秸秆制浆作业的废液大多未经处理排放到环境中，造成严重的水污染。

乙酸工艺是木质纤维素材料生产纸浆中脱木质素的有效方法(Nimz和Casten，1986；Sano等，1990；Pan等，1998)。制浆操作可以在常压下或常压以上进行。在制浆过程中使用乙酸通过蒸馏操作可以很容易回收和重复使用。乙酸工艺也是一种分馏木质纤维素材料的有效方法。在木质纤维素中的三种主要成分，纤维素，半纤维素和木质素，通过乙酸可以有效地分离。乙酸纸浆(纤维素)的纸物理强度可比得上传统纸浆的纸。乙酸纸浆另一个潜在的应用是纤维素衍生物和燃料以及化学制品的原料。醋酸木质素由于其较低分子量和更高的反应活性，对于许多增值木质素产品是一种最优的原料。从半纤维素而来的糖，易于转换为化学品和营养品。

要建立一个新的零排放，充分利用小麦秸杆的过程，我们使用了乙酸工艺分馏麦秸;将得到的馏分随后转化成高附加值产品。本文的目标是在常压乙酸过程下将小麦秸秆分馏转化成纤维素，木质素和半纤维素糖用，研究所获得的组分的特性，并评价它们的应用潜力。2.实验

2.1.小麦秸秆

这项研究使用得小麦秸秆（小麦vulgareCV。Horoshiri）从日本札幌北海道大学实验农场获得。风干收获后的麦秸，剪短至约2厘米，并存储以用于化学分析和乙酸制浆。

2.2.常压乙酸制浆

如图1所示1，小麦秸秆是通过在乙酸的水溶液中常压下回流（制浆）脱木质素，其中的H2SO4作脱木质素的催化剂。制浆是把100克干秸秆在分批次加入2升且配备了冷凝器的圆底广口(容易负载)烧瓶中进行的。制浆条件是90%乙酸，4%的硫酸，液固比为10和制浆时间3小时。制浆温度是105℃，这是制浆溶液沸腾温度。冷却后，粗纸浆（纤维，主要是纤维素）从制浆溶液中过滤分离。然后用300ml 乙酸水溶液（体积分数80％）和300ml 水清洗3次，使粗纸浆初步解体，并且随后在一个8目平板筛浆机进行筛选除去不合格品。用200目筛的筛机筛选收集纸浆。从粗纸浆和上述洗液中分离收集乙酸制浆液体，合并二者，并使用旋转蒸发器蒸发至几乎干燥（浓缩废液） 以回收乙酸，无论是下一批次制浆或洗粗浆它都可以使用。收集粗浆的洗液并倒入所得到的浓缩废液中，后面用来再生乙酸。沉淀得到的是乙酸木质素，将其过滤，洗涤，随后冻干。

图 1 乙酸工艺分馏麦秸流程图

小麦秸秆

乙酸制浆 乙酸 乙酸洗液 粗纸浆 废液 洗涤 水洗液 蒸发 剩余物 筛选 纸浆 废品 木质素 水溶物

收集滤液和木质素的洗液，并用旋转蒸发器浓缩。得到的水溶性残留物主要是由半纤维素降解的糖。

2.3.乙酸纸浆漂白

纸浆漂白使用三阶段的E / P-D-P序列进行。在这里，E/ P，D和P代表碱性提取的三个漂白阶段，分别是过氧化，二氧化氯漂白，和过氧化漂白。漂白操作在水浴聚乙烯袋中进行。漂条件为，E / P阶段纸浆加入5％NaOH和1.0％H2O2，12％黏稠度，80℃，2小时；D 阶段，0.5％ClO2，pH4.5，12％黏稠度，70℃，2小时；P阶段，加0.5％H 2 O 2，12％的黏稠度，pH11，70℃，2小时；纸浆在每阶段之间和漂白后用水彻底洗涤。

2.4.测定麦秸及乙酸纸浆中的灰分和二氧化硅

称取3克试样放在坩埚中，通过本生灯温和地碳化，然后在575±25℃用马弗炉点燃。称重残留的灰。因为小麦秸秆二氧化硅含量高，使用醋酸镁的乙醇溶液（5毫升），1升95％乙醇水溶液其中含4.054gMg(AcO)2·4H2O，加入到该试样，以防止由于不完全的焚烧

融合灰分和二氧化硅。与此同时，用同体积乙酸镁溶液完成一个空白的测定。用36%的浓盐酸处理两次，除去灰渣中酸可溶的无机盐。以确定二氧化硅在灰分中的含量。将酸不溶性残余物，过滤，用热水洗涤，直到用硝酸银检测没有氯化物，点燃，最后称量得到二氧化硅的量。

2.5.估计乙酸纸浆和木质素中乙酰基群

乙酸纸浆（60毫克），或乙酸木质素（50毫克）悬浮或溶解在6ml的1M NaOH中处理。添加丙酸(10毫克)作为一个内部标准。将混合物皂化，在60℃的水浴中摇动2小时。皂化后，该混合物的pH 值用50%盐酸调节至低于2。上层清液中乙酸是由气相色谱法认定(GC条件:柱Gaschropak 55，柱温170℃，注入温度250℃，载气N2流量30 ml / min,FID检测器)。乙酸纸浆和木质素中的乙酰基从上述乙酸的量计算确定。

2.6.乙酸纸浆的物理性能和化学分析