稻草秸秆的碱法氧化预处理方法研究

【摘要】：开发以木质纤维素为原料的生物质能是解决当前人类社会所面临的能源与环境问题的主要途径之一。全世界稻谷的产量仅次于小麦与玉米,稻草秸秆是主要的木质纤维素原料,目前稻草秸秆主要是作为燃料或还田肥料,利用效率低。在本论文中,分别研究了NaOH预处理、H2O2/NaOH预处理、O3/NaOH预处理三种化学方法对稻草秸秆组分、酶水解糖化及表观结构的影响,分析探讨了稻草秸秆的三种化学预处理机理,并对木质素的臭氧氧化降解动力学及机理进行了研究。 研究结果表明,三种化学预处理方法均可降低稻草秸秆中木质素的含量,提高纤维素的含量,并可明显促进稻草秸秆酶解糖化。预处理后稻草秸秆的酶解糖化率得到明显提高,其中稻草秸秆的O3/NaOH预处理效果最好。在相同酶解条件下(pH5.0、每单位底物加酶量为31.2mg/g、酶水解温度45℃、酶水解时间120h), NaOH预处理(2%NaOH、固液比1：12、处理温度30℃、处理时间24h)、H2O2/NaOH预处理(2%NaOH、2%H2O2、固液比1：12、处理温度40℃、处理时间24h,最优处理条件)、O3/NaOH预处理(在2%NaOH、固液比1：12、温度30℃条件下处理时间20h后,再通入03处理4h),处理后的稻草秸秆的糖化率分别为74.90%、83.23%、92.57%、53.53%。 预处理前后稻草秸秆的扫描电镜观察表明：未处理稻草秸秆的外表面整齐地被硅质突起、硅细胞、栓细胞所覆盖；NaOH预处理后的稻草秸秆外表面覆盖物部分被除掉；H2O2/NaOH预处理后的稻草秸秆外表面覆盖物已完全除掉,下层机械组织充分暴露；O3/NaOH预处理后的稻草秸秆外表面覆盖物已被完全除掉,下层机械组织间物质也部分失去,纤维素结构暴露。未处理稻草秸秆的内表面覆盖着一层较厚的硅质与腊质,髓腔薄壁细胞基本不可见；NaOH预处理与H2O2/NaOH预处理后的稻草秸秆内表面中硅质与腊质已除去,髓腔薄壁细胞外露且其中的物质基本上已失去；而经过O3/NaOH预处理后的内表面中硅质与腊质已除完全除去,髓腔薄壁细胞外露且细胞内物质已完全除去,细胞壁较松弛,产生的孔隙更大。因而在增大酶解时有效比表面积、加快酶解速率方面,O3/NaOH预处理优于H2O2/NaOH预处理,H2O2/NaOH预处理优于NaOH预处理,处理后的稻草秸秆明显优于未处理。 稻草秸秆的NaOH预处理机理与H2O2/NaOH预处理机理相似,都是在于NaOH使以醚键相连的木质素结构单元断开,高分子量的木质素分解为小分子量的木质素而溶解在溶液中。同时,NaOH使连接木质素分子与半纤维素分子间的酯键因皂化作用断开,半纤维素分子与纤维素分子间的氢键强度减小,从而使稻草秸秆发生膨胀,体积增大。差别在于H202促进了其它物质的氧化溶出,并不能使木质素分子开环氧化降解。O3/NaOH预处理机理在于臭氧使木质素开环氧化降解,同时除纤维素以外的其它物质也同时被氧化降解。这与臭氧的氧化能力强于过氧化氢有关。 预处理前后稻草秸秆成分含量的变化及酶水解糖化率表明,原料中木质素含量并不是影响其酶解糖化的决定因素,预处理前后有效比表面积的变化对其酶解糖化也有非常重要的影响。 动力学研究表明,碱性条件下木质素的臭氧氧化降解为一级反应,反应的活化能在45kJ/mol左右,其氧化降解在于羟基自由基氧化作用,氧化降解过程主要经过了由高分子量木质素分子到小分子量的基本结构单元,到苯丙烷基本结构单元侧链氧化为苯甲酸,再到苯环被开环氧化为羧酸和醛,最后被氧化为乙酸、 【关键词】：稻草秸秆 预处理 酶水解 臭氧 氢氧化钠 过氧化氢
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ352.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 引言11-12
• 1.2 稻草的结构与化学组成12-14
• 1.3 木质纤维素原料的预处理14-21
• 1.3.1 化学方法15-17
• 1.3.2 物理方法17-19
• 1.3.3 物理化学法19-20
• 1.3.4 生物法20-21
• 1.3.5 联合法21
• 1.4 木质素的降解研究现状21-26
• 1.4.1 木质素的结构22-23
• 1.4.2 木质素的降解方法23-25
• 1.4.3 木质素降解动力学研究25-26
• 1.5 本课题拟开展的工作与意义26-28
• 第二章 稻草秸秆的氢氧化钠预处理28-46
• 2.1 引言28
• 2.2 材料与方法28-31
• 2.2.1 材料与主要仪器28-29
• 2.2.2 稻草秸秆的NaOH预处理29-30
• 2.2.3 稻草秸秆的酶解30
• 2.2.4 成分分析30-31
• 2.2.5 扫描电镜分析31
• 2.3 结果与讨论31-45
• 2.3.1 预处理中NaOH质量分数对稻草秸秆成分及酶解的影响31-35
• 2.3.2 NaOH预处理时间对稻草秸秆成分及酶解的影响35-38
• 2.3.3 NaOH预处理温度对稻草秸秆成分及酶解的影响38-41
• 2.3.4 NaOH预处理对稻草秸秆表观形态的影响41-43
• 2.3.5 NaOH预处理稻草秸秆机理分析43-45
• 2.4 小结45-46
• 第三章 稻草秸秆的弱碱性过氧化预处理46-62
• 3.1 引言46-47
• 3.2 材料与方法47-48
• 3.2.1 材料与主要仪器47
• 3.2.2 稻草秸秆的弱碱性过氧化预处理47
• 3.2.3 单因素试验条件47
• 3.2.4 正交试验47-48
• 3.3 结果与讨论48-61
• 3.3.1 H_2O_2质量分数对稻草秸秆成分及酶解的影响48-51
• 3.3.2 预处理时间对稻草秸秆成分及酶解的影响51-53
• 3.3.3 预处理温度对稻草秸秆成分及酶解的影响53-56
• 3.3.4 弱碱性过氧化预处理条件的优化56-58
• 3.3.5 弱碱性过氧化预处理对稻草秸秆表观形态的影响58-59
• 3.3.6 弱碱性过氧化预处理稻草秸秆机理分析59-61
• 3.4 小结61-62
• 第四章 稻草秸秆的碱性臭氧预处理62-72
• 4.1 引言62-63
• 4.2 材料与方法63
• 4.2.1 材料与主要仪器63
• 4.2.2 稻草秸秆的碱性臭氧预处理63
• 4.3 结果与讨论63-71
• 4.3.1 氢氧化钠质量分数对稻草秸秆成分的影响63-66
• 4.3.2 碱性臭氧预处理稻草秸秆的酶解条件优化66-68
• 4.3.3 碱性臭氧预处理对稻草秸秆表观形态的影响68-69
• 4.3.4 碱性臭氧预处理稻草秸秆机理分析69-71
• 4.4 小结71-72
• 第五章 预处理方法对稻草秸秆性质的影响及预处理机理72-84
• 5.1 引言72
• 5.2. 材料与方法72-73
• 5.2.1 材料与主要仪器72
• 5.2.2 稻草秸秆的NaOH预处理72-73
• 5.2.3 稻草秸秆的弱碱性过氧化预处理73
• 5.2.4 稻草秸秆的碱性臭氧预处理73
• 5.3 结果与讨论73-82
• 5.3.1 三种预处理对稻草秸秆成分的影响73-76
• 5.3.2 三种预处理对稻草秸秆酶解糖化的影响76-78
• 5.3.3 三种预处理对稻草秸秆表观结构的影响78-80
• 5.3.4 三种预处理稻草秸秆机理的对比分析80-82
• 5.4 小结82-84
• 第六章 木质素的碱性臭氧化降解及机理分析84-98
• 6.1 引言84-85
• 6.2 材料与方法85-88
• 6.2.1 实验材料85-86
• 6.2.2 实验仪器和试剂86
• 6.2.3 试验方法86-88
• 6.3 结果与讨论88-97
• 6.3.1 木质素紫外光谱及标准曲线88-89
• 6.3.2 NaOH质量分数对降解速率影响89-90
• 6.3.3 浓度对降解速率影响90-92
• 6.3.4 温度对降解速率影响92-95
• 6.3.5 氧化降解反应机理的分析95-97
• 6.4 小结97-98
• 第七章 总结与展望98-100
• 7.1 总结98-99
• 7.2 展望99-100
• 参考文献100-109
• 致谢109-110
• 攻读学位期间主要的研究成果110

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

生物降解木质素研究新进展    张辉;戴传超;朱奇;杨启银;

关于发展生物质能源产业的调研与思考    李运生;

木质素降解酶的研究进展    胡雪竹;

生物法降解秸秆木质素研究进展    彭晓光;杨林娥;张磊;

木质素的提取及应用    谭东

木质纤维素预处理技术研究进展    赵律;李志光;李辉勇;谢磊;周智;

白腐菌降解木质素酶系的特征及其应用    江凌;吴海珍;韦朝海;梁世中;

木质纤维素新型预处理与顽抗特性    崔美;黄仁亮;苏荣欣;齐崴;张毅民;何志敏;

木质纤维素的预处理及其酶解    计红果;庞浩;张容丽;廖兵;

木质素的结构及其化学改性进展    郑大锋,邱学青,楼宏铭

利用丙酮丁醇梭菌进行木质纤维素同步糖化发酵的研究进展    方雪;

化学预处理对牧草酶解糖化发酵效果的影响    高凤芹;孙启忠;

开口杏制作机理研究    谢晓霞;崔晓玲;沈广军;金晖;

木质素高效降解菌血红密孔菌产酶条件研究    王丹梅;任大明;李秀娜;石皎;

云南省马铃薯产燃料乙醇的可行性研究    孙传伯;李永丽;李云;廖梓良;刘士清;

纤维素转化为生物质燃料的研究进展    魏巍;常春;马晓建;

化学预处理对牧草酶解糖化发酵效果的影响    高凤芹;孙启忠;

超声波预处理协同固体酸水解小麦秸秆制备乙酰丙酸的研究    李湘苏;余先纯;

木质素降解酶的研究进展    胡雪竹;

木素结构分析方法研究进展    张应龙;张锐昌;张咏梅;艾明强;黄峰;

抗菌纤维素/壳聚糖衍生物复合共混膜的制备及性能研究    张林;杨立邦;隋淑英;董朝红;路平;

竹材蒸煮同步除硅工艺的初步探索    宋顺喜;张美云;李佩燚;赵琳;

预水解及液比对麦草制浆性能的影响研究    梅凯;刘博;童国林;

纤维素乙醇生物转化工艺的研究进展    高凤芹;闫志坚;孙启忠;邢启明;

纤维素经离子液体[Amim][COOH]预处理酶解糖化    代辉;刘振;夏池;王键吉;

降解纤维素菌株的筛选和鉴定    季祥;朱玉珍;蔡禄;

草浆黑液木质素磺酸盐作为普通减水剂的应用研究    丁寅;毛咏琳;刘姝;

国内外木质素酶在污染废水治理上的应用研究进展    王欣;赵晓联;

化学预处理对牧草酶解糖化发酵效果的影响    高凤芹;孙启忠;邢启明;

木质泰在膨润土有机改性中的应用    周婷婷;任瑞晨;李彩霞;

绿色新能源铝/水基燃料燃烧特性研究和绿色生物质材料的制备    韩咚林

木质素及其模型物在不同热化学环境下的解构    刘江燕

粉单竹SCMP漂白中木素结构变化及生物酶改善漂白性能的研究    李兵云

纸浆污泥纤维素酶水解糖化与增效工艺及机理的研究    吕健

基于组分的生物质热裂解机理研究    刘倩

麦秆液化制备可降解聚氨酯泡沫材料方法及机理研究    陈秋玲

稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究    孙万里

木质素基吸水吸附材料的合成及性能研究    吴宇雄

玉米秸秆发酵生产酒精的研究    张强

稻壳制备燃料乙醇及综合利用    麻越佳

脆性水稻秸秆的生物预处理及发酵    刘晨娟

利用DNA体外重组技术构建高活性纤维素酶基因工程菌    潘海波

玉米秸秆预处理及对发酵产氢效果影响研究    曾召刚

利用农业废弃物混合发酵生产L—乳酸及饲料的初步研究    徐娟娟

冰糖橙皮渣发酵产燃料乙醇的初步研究    高玉妹

木糖发酵菌种的筛选及利用玉米秸秆产乙醇工艺的研究    王罗琳

连续式蒸汽爆破对PBS/植物纤维复合材料力学性能的影响    胡松喜

制浆造纸废水深度处理技术的研究与应用    关分派

木质纤维素生物质预处理与水解过程的关键技术研究    王修胜

预处理技术在大型污水处理厂COD减排中的效能研究    虞伟权

关于开发生物能源的研究    徐忠东;

生物降解木质素研究新进展    张辉;戴传超;朱奇;杨启银;

接种物对黄孢原毛平革菌产木质素过氧化物酶能力的影响    丁佐龙

燃料乙醇的发展现状和趋势    钱伯章;

Pd/C催化微波法合成氢化碱木质素    叶结旺;方桂珍;金春德;

嗜碱细菌降解木质素的复合碳源共代谢研究Ⅰ——复合碳源组合方式及氮源的选择    罗宇煊,张甲耀,管筱武,龚利萍,郑连爽

嗜碱细菌降解木质素的复合碳源共代谢研究Ⅱ——营养条件调控机制的研究    罗宇煊,张甲耀,龚利萍,管筱武,郑连爽

LaFeO_3催化剂在木质素湿法氧化合成芳香醛反应中的活性与稳定性    邓海波;林鹿;孙勇;庞春生;庄军平;欧阳平凯;李静江;

白腐真菌在秸秆作物资源开发中的研究    赵红霞,杨建军,詹勇

正交实验选择嗜碱细菌降解木质素的金属离子最优综合培养条件    罗宇煊,张甲耀,许威亚,凌颉

基于多元变量分析筛选竹生物制浆白腐菌    余洪波;张晓昱;徐春燕;王宏勋;

生物质（秸秆）纤维燃料乙醇生产工艺试验研究    宋安东

纤维原料酶水解及酒精发酵的研究    李秋园

木质素填充LDPE、EVA对复合物性能的影响    黎先发;罗学刚;

玉米秸秆预处理技术研究进展    袁丽婷;

木质素酚醛树脂碳纤维的制备及表征    张涛;沈青;

越南甜竹蒸煮反应历程研究    高国安;李忠正;

稻麦草碱法纸浆黑液酸化处理的研究    奚传棣;

稻壳中纤维素、半纤维素和木质素的测定    熊素敏,左秀凤,朱永义

木质素与塑料共混技术研究进展    罗继红;汤志刚;

高温脱胶对大麻纤维成分与结构的影响    俞春华;冯新星;贾长兰;陈建勇;

支持向量机结合近红外光谱法测定杉木木质素的含量    黄安民;焦淑菲;任海青;相玉红;张卓勇;

木质素在环氧树脂合成中的应用进展    冯攀;谌凡更;

聚丙烯/木质素复合材料制备及性能    戴洪湖;陈枫;杨晋涛;费正东;钟明强;

微生物阳极强化氧化降解苯酚的机制研究    吴保国;冯春华;韦朝海;

辉光放电等离子体诱导氧化降解水体中的对氯苯酚    高锦章;蒲陆梅;李岩;俞洁;黄冬玲;杨武;

稻草秸秆组分的高效分离方法研究    都占魁;赵金生;杨正宇;

深度氧化降解邻苯二甲酸酯的量子化学研究    高艳蓬;姬越蒙;安继斌;安太成;赵存元;

天然矿物催化H_2O_2氧化降解水中三氯生的研究    冯勇;吴德礼;马鲁铭;

萝卜贮藏期间肉质根不同部位木质素含量变化与糠心的关系    李寿田;唐蓉;尤伟忠;陈立人;朱广慧;

黑曲霉处理稻草秸秆提高沼气发酵产气率的研究    胡晓明;张无敌;高正卿;何桂源;陈勇;和智明;

高沸醇木质素改性聚氨酯研究    吴耿云;程贤甦;杨相玺;

TiO_2/Ti双电极氧化降解有机污染物的研究    李明玉;曾凡银;刁增辉;宋琳;曹刚;

秸秆变汽油不再是神话    本报记者　 吴红雅

企业造假 带来损失3亿多元 出口解禁 稻草行业重现生机    记者阎平、王振宏

废料建房 冬暖夏凉    记者 关媛媛

麦秆喂牛    魏方

土工合成材料老化研究取得新进展    晓谢

粗纤维在母猪营养中的应用    畜牧科技网

巧除蔬菜残毒    师晓铃

我省自主研发技术有望解决全球温室气体排放    本报实习记者 卢丹青

3亿元“买”来个“老教训”    新华社记者 阎平、王振宏

MAOI与不宜联用的药物    麦国荣

稻草秸秆的碱法氧化预处理方法研究    李辉勇

稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究    孙万里

木质素酚醛泡沫保温材料的制备与性能研究    胡立红

木质素的提取及在聚氨酯中的应用    曲玉宁

木质素新型模型物的合成及其在木质素结构研究中的应用    岳凤霞

生物炼制木质素基酚醛树脂的制备与应用    张伟

秸秆酶解木质素液化改性及聚氨酯发泡材料制备研究    李燕

木质素解聚新工艺及机理研究    叶跃元

木质素及其模型物在不同热化学环境下的解构    刘江燕

杨树木材木质素含量快速评价及漆酶活化木质素制备纤维板的研究    周冠武

简青霉对稻草秸秆降解条件最优化和机理研究    尹璐

稻草秸秆超低酸水解机理及水解动力学研究    李自豪

氨水循环爆破法对玉米秸秆预处理效果的研究    张超

魔芋葡甘聚糖复合材料的制备研究    戴勋

大麻纤维生物漂白工艺研究    岳升彩

亚麻木质素和纤维素合成相关基因部分序列的克隆    高原

黄孢原毛平革菌及其在堆肥中对木质素生物降解特性的影响研究    冯冲凌

纤维素/木质素对混燃特性及颗粒物排放的影响    戴立

稻草秸秆氨化的机理研究及参数优化    杨游

能源植物木质素组成结构对降解转化效率影响的研究    赵春桥