玉米秸秆衍生碳基固体酸的制备及其催化纤维素水解糖化

陆佳，刘伟，王欣，苏小红，范超

（黑龙江省能源环境研究院，黑龙江哈尔滨150027）

化石能源日益短缺及生态环境恶化，促使人们不断开发利用绿色可再生的生物质能来替代传统的化石能源制备化学品[1]。当前生物质资源的开发和利用已成为国内外关注的热点。纤维素是自然界中最丰富的生物质资源，由无数个葡萄糖单元以β-(1,4)糖苷键连接而成葡聚糖链，多条葡聚糖链平行排列，糖链间靠氢键连接，形成直径为5～10nm的结晶态微纤丝[2]。从结构组成上来看，纤维素可以通过水解拆分为糖基化合物，后续通过催化转化或者发酵等方法制取高附加值化学品及液体燃料[3]。因此，纤维素到糖的转化是制备生物质基化学品的必经步骤，也是开发纤维素这一“糖矿”的关键环节[4]。然而，纤维素高度的结晶结构是其水解成糖的关键阻碍[5]。近年来，为了减少这一阻碍，提升纤维素水解效率，研究人员采用了很多辅助方法降低其结晶度，如球磨[6]、超声[7]、微波[8]、溶解-再生预处理[9]等，其中溶解-再生预处理是一种简单、有效的方法，但由于所用的离子液体溶剂成本高、黏度大[10]及有机溶剂易挥发、具有一定的毒性等缺陷限制了其应用。NaOH/尿素体系是张俐娜教授课题组开发的一种价廉低毒、适合工业化生产的新型溶剂[11]。在低温的条件下该体系能够溶解纤维素，得到溶解度较高的纤维素溶液，纤维素结晶度下降，提高了反应的可及性[12]。邢静润等[13]利用NaOH/尿素冻融预处理纤维素，使得液体酸水解纤维素获得葡萄糖的产率由35.6%提高到58.5%。Sun课题组[14-15]的研究表明，NaOH/尿素低温预处理所获得的无定形结构的纤维素水凝胶更易于液体酸中H+的扩散，从而显著提高葡萄糖的产率。

除辅助预处理外，催化剂也是影响纤维素水解效率的重要方面。自2008 年Onda 等[16]首次将碳基固体酸应用于纤维素的水解中，有效地解决了传统液体酸水解纤维素带来的腐蚀设备、产物分离困难、环境污染等问题。自此开发绿色、高效、廉价的碳基固体酸成为研究热点。碳基固体酸的制备原料可分为含苯环或稠环碳片层的物质、高分子聚合物类、糖类和生物质类[17]，其中，生物质天然可再生、来源广泛、成本低，更有利于工业化推广应用。玉米秸秆是一种常见的富碳生物质资源，是制备碳基载体的优良原料。基于此，本文以玉米秸秆为原料，采用碳化-磺化法制备碳基固体酸（CSA），系统研究了碳化温度及磺化温度对固体酸表面活性基团含量与催化活性的影响，确定了CSA的最佳制备条件。选择NaOH/尿素冻融预处理后的纤维素为底物，研究了CSA 催化纤维素水解糖化的效果，以期为秸秆高附加值产品的制备与应用提出一条可行的路径，同时为固体酸催化纤维素水解糖化提供科学依据。

1 实验材料与方法

1.1 材料

微晶纤维素，Coolaber；浓硫酸（质量分数大于98%）、浓盐酸（质量分数37%）、浓磷酸（质量分数≥85%）、氢氧化钠、葡萄糖，分析纯，西陇科学股份有限公司；3,5-二硝基水杨酸，天津市光复精细化工研究所；碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钠、邻苯二甲酸氢钾，均为基准试剂，天津市科密欧化学试剂有限公司；氧气、氮气，均为高纯，哈尔滨黎明气体有限公司；玉米秸秆，粉碎研磨过100 目筛，在105℃下烘干干燥后存于聚乙烯袋中备用。实验用水为去离子水。

1.2 仪器

FA2104 型电子天平，上海良平仪器仪表有限公司；JGF1200-60管式气氛炉，上海均科仪器科技有限公司；ZNCL-GS智能磁力加热搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；100mL水热反应釜，西安常仪仪器设备有限公司；100mL-SLM微型高压反应釜，北京世纪郎森实验仪器有限公司；721型可见光分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；Torch总有机碳分析仪，北京利曼科技有限公司。

1.3 纤维素的预处理

采用文献[13]中质量分数7%/12% NaOH/尿素体系在-18℃下冻融预处理微晶纤维素，并对预处理前后的纤维素进行XRD 检测，测定其结晶度与结构变化。根据衍射谱图强度，采用Segal 法计算纤维素的相对结晶度指数（CrI），见式(1)[18]。

式中，I002为纤维素结晶区（纤维素Ⅰ为2θ=22.5o，纤维素Ⅱ为2θ=21.7o）002晶面的衍射强度；Iam为纤维素无定形区（2θ=18o）的衍射强度[19]。

1.4 玉米秸秆衍生碳基固体酸的制备

1.5 玉米秸秆衍生碳基固体酸活性基团含量的测定与表征

利用阳离子交换法与返滴定法分别测定碳基固体酸表面磺酸基团（—SO3H）、羧基基团（—COOH）、羟基基团（—OH）的含量[20]；D8 型X 射线衍射仪（德国布鲁克AXS公司）用于测定样品的晶型：Cu靶，管压40kV，管流40mA，扫描速率10o/min，扫描范围10°～80°）；supra55型场发射扫描电镜（德国蔡司公司）用于检测样品的形貌，测试前样品喷金处理；Nicolet6700型傅里叶变换红外光谱仪（美国尼高力仪器公司）用于样品表面官能团的测定：扫描范围400～4000cm-1，扫 描 分 辨 率4cm-1，扫 描 次 数32；AXIS ULTRA DLD 型X 射线光电子能谱仪（英国Kratos公司）用于测定固体酸的组成。

1.6 纤维素的水解

称取一定量的预处理后的纤维素、玉米秸秆衍生碳基固体酸，同30mL 去离子水一起加入高压反应釜中，在一定温度和反应时间下进行水解反应。反应结束迅速冷却至室温，水解液经0.22µm 水系滤膜过滤，采用3,5-二硝基水杨酸（DNS）法测定水解液中总还原糖浓度[21]，总还原糖得率按式(2)计算，用TOC 总碳分析仪对水解液中总碳含量进行测定，进行转化率分析[22]，计算见式(3)。

式中，TRS、Cr 分别代表水解液中还原糖得率、纤维素转化率，%；CTRS、CC分别代表水解液中总还原糖浓度、总碳浓度，mg/mL；m1、m2分别代表纤维素质量、纤维素中碳元素质量，mg。

2 结果与讨论

2.1 纤维素的预处理

本实验选取NaOH/尿素冻融预处理纤维素，室温解冻后发现纤维素溶解，由粉末状变成凝胶，经水再生后重新析出得到絮状物，将絮状物分离干燥即为再生纤维素。图1为预处理前后纤维素的XRD谱图。未经处理的纤维素在2θ=16.3°、22.5°和34.5°处有Ⅰ型纤维素结晶结构的特征峰出现[23]。再生纤维素在2θ=11.9°、20.0°和21.8°附近有明显的Ⅱ型纤维素衍射峰出现[24]，纤维素的相对结晶度也由原来的70.5%降低到46.9%，说明预处理改变了纤维素的晶型结构，使纤维素结晶度下降。

图1 预处理前后纤维素XRD图

表1对比了玉米秸秆衍生碳基固体酸水解预处理前后纤维素的效果，从表1中可知，预处理可有效地增加纤维素的可及性，显著提升了CSA 催化纤维素的水解糖化效率。

表1 玉米秸秆衍生碳基固体酸水解预处理前后纤维素效果

2.2 玉米秸秆衍生碳基固体酸的表征

2.2.1 XRD谱图分析

图2 为玉米秸秆衍生碳基固体酸的XRD 谱图。可以看到，在2θ=20°～30°、2θ=40°～50°处有一较宽的无规则排列无定形碳的（002）晶面衍射峰和一较弱的代表石墨化程度的（100）晶面衍射峰[25]，说明制备的碳基固体酸是具有一定的类石墨化程度的稠环芳香片层并以随机方式组成的无定形碳结构。

2.2.2 FTIR光谱分析

图2 碳基固体酸XRD衍射谱图

图3 碳化后秸秆与玉米秸秆衍生碳基固体酸FTIR对比图

通过FTIR 光谱可以定性分析固体酸表面官能团的种类。图3为碳化后秸秆和玉米秸秆衍生碳基固体酸的FTIR 光谱图。可以看出，碳化后秸秆与碳基固体酸均在3400cm-1、1700cm-1、1616cm-1处分别出现酚O—H伸缩振动峰、羧基C==O键的伸缩振动峰、芳香环中C==C 双键的伸缩振动峰[26]，这些特征峰表明无定形碳结构上存在大量的羟基和羧基，组成了碳基固体酸的亲水表面。在1100cm-1附近出现了C—O—C 伸缩振动峰，说明碳基固体酸骨架中各碳片层之间通过—O—相交联[27]。玉米秸秆衍生碳基固体酸与碳化后秸秆相比，在1450cm-1处—CH3对称弯曲振动峰消失，这可能是由于浓硫酸的强氧化性使—CH3氧化成羧基所致[28]。在1166cm-1与1034cm-1附近分别出现了磺酸的SO2-3 的不对称伸缩振动峰和磺酸的O==S==O键的对称伸缩振动峰[29]，这说明—SO3H 基团成功地连接在碳基固体酸骨架表面。

2.2.3 SEM分析

通过扫描电镜对碳化后玉米秸秆与衍生碳基固体酸进行表面形貌分析，如图4所示。从图中可以看出，在碳化后玉米秸秆保留了其天然的中空管状结构，表面较为光滑。而经过磺化后，这种管状结构遭到破坏，发生坍塌变成细碎的无定形的块状结构，表面出现褶皱，变得粗糙不平，这可能是磺化过程中引入—SO3H基团造成的[30]。

图4 碳化后玉米秸秆SEM图与玉米秸秆衍生碳基固体酸SEM图

2.2.4 XPS谱图分析

图5 为玉米秸秆衍生碳基固体酸的XPS 全谱图、C 1s 和S 2p 分峰谱图。由全谱图5(a)可知，制备的固体酸含有C、O、S三种元素。C 1s分峰谱图5(b) 中 结 合 能 在 284.8eV、 286eV、 287eV、289.58eV 处的特征峰分别归属于芳香单元中C==C键、C—O 键/C—O—C、C==O 键、O—C==O 键[31-32]。S 2p分峰谱图5(c)中结合能在168.35eV、164.3eV处的特征峰分别对应于O==S==O、C—S—C[25]，说明制备的碳基固体酸表面的S元素主要有两种存在形式，其中10.95%的S 以非氧化态C—S—C 形式存在，89.05%的S 以氧化态—SO3H 形式存在。C 1s、S 2p共同验证了玉米秸秆衍生碳固体酸表面含有磺酸基、羟基、羧基，这与红外谱图分析是一致的。

2.3 制备条件对玉米秸秆衍生碳固体酸表面活性基团含量及催化活性的影响

碳化温度与磺化温度是影响固体酸结构和性能的重要因素[33]，本研究考察了两者对固体酸表面活性基团含量与催化活性的影响。

2.3.1 碳化温度

在设定温度下对玉米秸秆粉末碳化2h，并在130℃下磺化5h，制备碳基固体酸，考察碳化温度对玉米秸秆衍生碳基固体酸表面活性基团含量及催化活性的影响，如表2 所示。可以看出，当碳化温度为300℃时，CSA 表面的活性基团含量与催化活性较低，这主要是因为过低的碳化温度影响碳骨架结构的形成和磺酸基团的引入[34]。当碳化温度为350℃时，CSA 的酸密度达到最大值，与之对应的还原糖得率与纤维素的转化率也最大。继续提高碳化温度，CSA 表面活性基团含量与催化活性下降，可能是因为过高的碳化温度会使比表面积变小，活性位点减少[35]。因此，选择最佳碳化温度为350℃。

图5 玉米秸秆衍生碳基固体酸XPS全谱图、C 1s 分峰谱图、S 2p分峰谱图

2.3.2 磺化温度

在碳化温度350℃、碳化时间2h、磺化时间5h的条件下，考察磺化温度对玉米秸秆衍生碳基固体酸活性基团含量及催化活性的影响，见表3。由表3可知，磺化温度可以调控碳基固体酸的酸性。随着磺化温度升高，碳基固体酸总酸量，—COOH、—OH基团含量逐渐增减，—SO3H含量先增加后减少，在150℃时达到最大值。纤维素水解还原糖得率和转化率随着磺化温度升高先增加后减少，在磺化温度为100℃时，还原糖得率与纤维素转化率两者最高，说明碳基固体酸在催化纤维素水解过程中，除吸附基团—OH、—COOH 与酸中心—SO3H三者的协同作用外[36]，还可能与碳基固体酸的其他性质如比表面积、孔隙结构有关。当磺化温度比较低时，碳骨架上连接的—SO3H 不牢固，在水解过程中易脱落失活[37]。在较高的磺化温度时，固体酸结构稳定性增强，嫁接的磺酸基团增多，而过高的温度、浓硫酸的强氧化性会对碳结构有一定的破坏作用[38]，影响磺酸基团的有效接入。此外，过多的羟基和羧基与磺酸基还可能存在相互制约关系，降低活性基团的利用率，使催化性能减弱。因此，选择最佳磺化温度100℃。

表2 碳化温度对玉米秸秆衍生碳基固体酸表面活性基团含量及催化活性的影响

表3 磺化温度对玉米秸秆衍生碳基固体酸表面活性基团含量及催化活性的影响

综上，玉米秸秆衍生碳基固体酸最佳制备条件为350℃下碳化2h，100℃下磺化5h。

2.4 固体酸催化纤维素水解条件的考察

实验选取最佳工艺条件下制备的碳基固体酸，考察其催化纤维素水解糖化的效果与条件。

2.4.1 水解温度与水解时间对纤维素水解糖化的影响

图6 水解温度与水解时间对纤维素水解还原糖得率及纤维素水解转化率的影响

水解温度和水解时间对纤维素水解还原糖得率及水解转化率的影响如图6(a)、图6(b)所示。由图6(a)可见，随着水解时间的延长，还原糖得率逐渐增加，当还原糖得率达到最大值后开始降低。这是因为纤维素水解过程中同时存在纤维素水解为还原糖以及还原糖继续分解两个反应，而还原糖得率是由这两个反应之间的平衡决定的[39]。在还原糖得率达到最大值之前，纤维素的水解速率高于还原糖分解速率而占主导地位，表现为还原糖得率逐渐升高。随着反应的进行，当纤维素水解速率等于还原糖的分解速率时，还原糖得率达到最大。此后，还原糖的分解速率大于还原糖生成速率，还原糖得率开始下降。当反应温度为140℃时，纤维素水解5h 还原糖得率达到最大值18.2%；当温度升高到180℃时，水解3h 时还原糖得率相应提高到35.8%；继续提高反应温度，在200℃下水解0.5h，还原糖得率已经达到最大值47.1%。这可能是因为高温使密闭的反应釜内压升高，提高了碳基固体酸的催化作用，酸性基团在水溶液中迅速解离出H+进攻糖苷键使其断裂，从而纤维素迅速解聚。同时，高温也会对玉米秸秆衍生碳基固体酸的稳定性有影响，当温度高于180℃时，水解液呈现淡黄色，这可能是固体酸的碳骨架渗出部分含—SO3H、—COOH 和—OH（酚羟基）基团的芳香族碳片引起的[40]。

此外，水解温度与时间对纤维素的水解转化率也有很大影响。从理论上来说，不论水解产物的组成与分布如何，在整个水解过程中，纤维素的转化率应随着反应时间的延长或者水解温度的升高而增加。从图6(b)中可以看出，当水解温度低于200℃时，符合这种理论猜想。而当水解温度达到200℃时，纤维素转化率随着水解时间延长有一个先增加后降低的过程，在0.5h达到最高63%，此后反应的水解液冷却静止一段时间后有黑色小颗粒出现，这可能是因为纤维素在解聚过程中产生的不溶于水溶液的胡敏素和腐殖酸[41]，致使在水解液中检测总有机碳浓度降低，表现为纤维素转化率降低。因此，为避免高温长时间带来的副反应，又能在较短的时间内达到理想的水解糖化效果，水解温度控制在200℃，水解时间0.5h。

2.4.2 玉米秸秆衍生碳基固体酸与纤维素质量比对水解糖化的影响

固体酸水解纤维素是典型的固-固反应，传质效果比较差。为了提高纤维素水解糖化效率，往往向反应体系中加入较多的固体酸，甚至多于纤维素的量[42]。碳基固体酸的加入量对纤维素水解糖化的影响如图7所示。可以看出，随着碳基固体酸与纤维素质量比从1∶1 增加到3∶1，还原糖得率从38.4% 增加到最大值47.1%，纤维素转化率从52.6%提高到63%。碳基固体酸的活性位点是一定的，加大玉米秸秆衍生碳基固体酸的用量，固体酸提供的酸性催化活性位点增多，增加了纤维素与活性位点之间的接触机会，有利于反应向着不断生成还原糖的方向进行。继续加大固体酸的用量，还原糖得率反而降低，纤维素转化率继续升高，这说明过量的固体酸也会加速还原糖的降解，促进副反应的发生，使还原糖得率下降。综上可见，过高或者过低的固体酸加入量都不利于还原糖的生成。因此，在上述水解条件下，玉米秸秆衍生碳基固体酸与纤维素质量比控制在3∶1 时，还原糖可以达到最优产率。

2.4.3 玉米秸秆衍生碳基固体酸循环利用性能

本研究还考察了碳基固体酸的循环利用性。每次水解结束后将固体残渣离心、洗涤，80℃干燥过夜称重，补充一定量的纤维素保证每次的水解反应物料投加量一致，实验结果如图8 所示。可以看出，经过3 次循环利用，碳基固体酸活性降低不大，稳定性良好。当循环利用4次后，还原糖得率大幅度下降。

图7 玉米秸秆衍生碳基固体酸与纤维素质量比对水解糖化的影响

图8 玉米秸秆衍生碳基固体酸的循环利用

3 结论

（1）7%/12%NaOH/尿素体系冻融预处理纤维素能够有效降低纤维素的结晶度，可以提高玉米秸秆衍生碳基固体酸与纤维素的可及性与水解效率，是一种高效的辅助固体酸催化纤维素水解糖化预处理技术。

（2）以玉米秸秆为原料，采用碳化-磺化法制备的碳基固体酸表面具有酚羟基、羧基、磺酸基等官能团。

（3）碳化温度与磺化温度影响着CSA 表面活性基团的含量与催化活性，在350℃碳化2h，100℃磺化5h 条件下制备的CSA 催化性能最好，其酸量达3.94mmol/g，其中磺酸基、羧基、酚羟基含量分别为1.09mmol/g、1.36mmol/g、1.49mmol/g。

（4）在m(CSA)∶m(纤维素)=3∶1、水解温度200℃、水解时间为0.5h 的条件下，纤维素水解还原糖得率与转化率分别为47.1%和63%。CSA稳定性良好，经过3次循环利用催化活性下降不大，表明碳基固体酸能够有效地催化纤维素水解糖化。