甘蔗渣废弃物的再利用研究.docx
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1、甘蔗渣废弃物的再利用研究摘要:甘蔗渣来源广泛、价格低廉、可生物降解,具有环境友好等特点。甘蔗渣纤维素具有可再生性,是一种环保的绿色高分子材料。以绿色化学为视角,从可再生资源及废弃物的利用、使用无毒无害低毒低害试剂、可降解绿色化学品、绿色能源、污染治理等方面探讨可再生甘蔗渣废弃物在预处理提取纤维素、化学改性、应用领域的绿色思维,以期对其他农林废弃物应用的绿色化有重要的参考作用。关键词:绿色化学;甘蔗渣;再利用绿色化学(GreenChemistry)是环境友好化学、清洁化学,它是全球环境危机下产生的新兴化学领域。自1991年美国化学会首次提出绿色化学概念以来,获得了快速的进展。绿色化学的核心特征是
2、利用可再生资源,设计可降解绿色化学品,使用无毒无害溶剂、试剂,从源头上防止产生污染或废弃物等。其讨论范围涉及化学反应的全过程(见图1)。我国是农业大国,每年产生大量的农业废弃物。以往造纸、燃烧等处理方法,经济效益低,简单导致环境污染。而这方面绿色化学有了广泛的用武之地。1甘蔗渣是巨大的绿色资源宝库随着煤、石油、自然气等资源的日益枯竭,生物质资源的开发与利用成为人们讨论的重点。我国是四大甘蔗种植国,第二大食糖消费国。据统计,我国制糖企业每年约剩余600650万吨蔗渣1,目前仅有20%的蔗渣用于制作纸浆,其余被作为锅炉燃料或废弃物丢掉,这不仅造成环境污染,还导致自然资源的极大浪费。从绿色化学的角度
3、,甘蔗渣是丰富的可再生资源,具有来源广泛、价格低廉、可生物降解,环境友好等特点,是巨大的绿色资源宝库。若能将甘蔗渣资源合理充分地应用于工业,将会产生良好的生态、经济效益。2甘蔗渣的组成及其结构特点甘蔗渣是糖厂的副产物,其组成成分以纤维素(32%48%)、半纤维素(19%24%)、木质素(23%32%)为主,其中纤维素半纤维素含量占甘蔗渣干重的一半,是甘蔗渣的最主要组成成分2。纤维素是自然高分子化合物,是由D-吡喃葡萄糖酐彼此以-(1-4)-苷键连接而成的线形巨分子(其结构见下列图2),分子间彼此以氢键相连。甘蔗渣纤维素在分子内和分子间氢键作用下,形成微晶纤维丝,半纤维素、木质素则作为微纤丝之间
4、的填充剂和黏结剂,包裹着纤维素3。甘蔗渣的这种结构特征不利于反应试剂的渗透及扩大,影响其参加化学反应的速度和匀称度,因此,需要对甘蔗渣进行适当的预处理,除去半纤维素、木质素,提取出优质的纤维素。另外,自然纤维素存在不溶于冷水、纤维素糊化易老化、被膜性差、缺乏乳化力、耐药性及耐机械性差等缺乏,很大程度上限制了其应用范围。其结构中葡萄糖C2、C3及C6位上有羟基,具有较好的化学活泼性,利用纤维素这一特性进行改性,可以制备很多性能良好的纤维素衍生物,从而提高甘蔗渣纤维素的利用效率4。3甘蔗渣纤维素提取方法的绿色思维从甘蔗渣中提取纤维素的方法有物理方法、化学方法和生物方法。3.1物理提取法物理方法包括
5、机械粉碎、微波超声波震荡、高能辐射以及蒸汽爆技术等。物理方法通过利用压力、机械剪切力、热量等转变纤维的尺寸、比外表积等物理性质或使木质素、半纤维素软化降解从而提高纤维素参加化学反应的可及度。其操作方法简洁,作用过程中不填加化学试剂,不产生化学污染,是环境友好的绿色提取方法。如陈渊等5采纳自制搅拌磨对甘蔗渣进行机械活化预处理,发觉机械活化过程中甘蔗渣颗粒明显细化,比外表积增大,纤维素、半纤维素和木质素包裹交缠的结构被破坏,甘蔗渣纤维素更简单发生乙酰化、接枝共聚反应。3.2化学提取法传统的化学提取法主要包括无机酸提取法、强碱提取法、有机溶剂提取法等。这些方法存在废液处理困难、环境污染、产品强力低、
6、耐用性低,本钱消耗大、不易长远使用等缺点。近年来,甘蔗渣纤维素化学提取方法向绿色化方向进展,提取过程关注绿色试剂的使用。如杜琨等6用碱性双氧水法提取甘蔗渣中的纤维素,采纳三水平三因素正交试验法进行试验,对最优提取工艺进行了探究。双氧水是典型的绿色试剂,反应后生成环境无害的水。吴楠楠等7用离子液体预处理甘蔗渣,此方法中使用到的离子液体是新型的绿色溶剂,无味、无污染、易与产物分别、可循环使用。3.3生物提取法生物法是采纳微生物酶对木质纤维素进行降解的一种方法。此项技术具有环保、可持续性强等优势,缺点是纤维素酶本钱较高。在绿色化学视角下,甘蔗渣纤维素的提取在考虑增加蔗渣纤维素与化学试剂反应速度、匀称
7、度的同时,要兼顾过程的环境友好性、方法的经济高效性等。探究多种方法的联用有助于蔗渣纤维素的绿色、高效利用。熊建华8等利用超声波帮助碱预处理甘蔗渣,试验说明,该方法是一种能有效降低处理温度、提高物料的可及性,提升生产效率,降低生产升本的预处理方法。4甘蔗渣纤维素化学改性中的绿色思维纤维素的化学改性方法应用较为广泛,主要有醚化、酯化、接枝共聚等方式,可得到纤维素酯类、纤维素醚类、纤维素混合酯和混合醚等。4.1醚化改性的绿色思维纤维素的醚化是指以纤维素为基本原料,经碱化、醚化反应而生成纤维素醚类的反应。其中羧甲基纤维素(其结构见图3)是一种特别重要的水溶性纤维素羧甲基化衍生物,具有良好的水溶性、无毒
8、、抗盐性强等性能,是我国纤维素醚产品中使用方便、规模大、产量高、用处广、进展速度快的一种产品。羧甲基纤维素的制备方法有水媒法、溶媒法、溶液法。水媒法是以水为反应介质,在搅拌的条件下,将纤维素和碱液充分混合进行碱化,然后加入氯乙酸钠进行醚化,经烘干、粉碎得到产品。此法工艺和设备都较为简洁,溶剂水对环境无毒无害。溶媒法又称有机溶剂法,是以有机溶剂为反应介质,有机溶剂的用量为纤维素重量的1030倍,有机溶剂用量大,易污染环境。在实际生产过程中,还需对纤维素原料、稀释剂种类及用量进行最优选择,以提高反应的匀称性和氯乙酸钠的利用率。溶液法是早期纤维素均相衍生化的重要内容之一。早在20世纪70、80年月就
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