醋酸纤维材料对木质素的脱除及吸附研究

李 那，孟 仙，程秀婷，邓 宇

(天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457)

木质素是植物纤维原料的主要成分之一，是植物界中储量第二大的天然高分子化合物，在高等植物细胞中广泛存在[1]。木质素是一种结构复杂、非结晶性的三维网状酚类高分子聚合物，在自然界中，木质素是仅次于纤维素的第二大可再生资源，在制备可降解、可再生的高分子复合材料方面有重要的发展前景[2]。据统计，全球每年可产生大约6×1014t木质素[3]，但是到目前为止，木质素的利用率很低，这就造成了极大的资源浪费[4]和环境污染。因此，研究木质素化学的重要意义在于有效利用这一丰富的可再生资源。

近些年来，世界各国的科学家对这一具有战略意义的生物资源的有效利用给予了高度重视[5]。本文首先以碱液NaOH溶液脱除木质素/醋酸纤维复合材料中的木质素，然后再进行对木质素溶液的吸附实验，期望能为木质素的分离及提取技术[6]提供理论和实验依据。

1 实验仪器、材料与方法

1.1 实验仪器

JT302N电子天平（上海精密科学仪器有限公司）；KDM型可调电热套（山东省鄄城威瑞科教仪器有限公司）；DK-98-1电热恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司）；SHB-III循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；DH-101型电热恒温鼓风干燥箱（天津市中环实验电炉公司）；756PC紫外分光光度计（上海光谱仪器有限公司）。

1.2 实验材料

溴代-3-甲基-1-乙基咪唑离子液体（实验室合成）；木质素（实验室提供）；醋酸纤维（自取处理）；粒状NaOH(天津市北方天医化学试剂厂)；95%乙醇（分析纯，天津市北联精细化学品开发有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 醋酸纤维的预处理

除去废弃烟蒂残留的烟丝和外包装纸，将纤维剪成小于1 cm长的片段，用自来水浸泡并蒸煮至水完全澄清，取出纤维段，于烘箱中充分干燥后备用。

1.3.2 木质素/醋酸纤维复合材料的制备

以质量比为1∶1的比例，称取一定量的木质素和醋酸纤维，分别溶解在适量（能够保证木质素和醋酸纤维充分溶解）的离子液体中，待溶解完全后，将分别溶有木质素和醋酸纤维的离子液体倒入同一烧杯中，混合均匀后，加入适量的水，静置，待沉淀完全后过滤，用少量水冲洗滤渣，将洗净离子液体的滤渣放入烘箱中烘干，即得木质素/醋酸纤维复合材料。滤液经旋蒸后回收，以便重复使用，节约成本。

1.3.3 木质素标准曲线的绘制

称取一定质量的木质素，溶解在40mL质量分数为2%的NaOH溶液中。因为木质素在紫外波长范围内有吸收峰，取0.5mL溶液，稀释100倍，进行波谱扫描后确定样液在波长281 nm处有吸收峰，与木质素的最大吸收波长一致。

确定木质素的标准曲线图：称取不同质量的木质素，分别溶解在40 mL质量分数为2%的NaOH溶液中，取0.5 mL溶液稀释100倍，在0～60mg/L范围内测量溶液在281 nm处的吸光度（见表1和图1）。

表1 不同浓度的木质素/NaOH溶液的吸光度

2 结果与讨论

2.1 复合材料脱除木质素的单因素实验

2.1.1 不同浓度的NaOH溶液对复合材料脱除木质素的影响

实验条件：分别称取0.2 g复合材料在不同浓度的NaOH溶液中溶解，控制溶解温度40℃，溶解时间30min。溶解后过滤，取0.5mL滤液稀释100倍后测定其在281 nm处的吸光度，考察NaOH溶液的浓度对脱除复合材料中木质素的影响。结果见表2。

表2 不同浓度的NaOH溶解木质素后滤液的吸光度值

图1 木质素标准曲线图

得出：y=-0.01212+0.02568x

其中，相关系数R2=0.9998，符合Lambert-Beer定律。

从图1和表1中可以看出，木质素的吸光度符合Lambert-Beer定律，说明可以通过测定吸光度来确定溶液中木质素的浓度。

1.3.4 木质素/醋酸纤维复合材料中木质素的溶出

称取一定质量的木质素/醋酸纤维复合材料，用适量的NaOH溶液溶解后过滤，将滤渣烘干，取0.5mL滤液稀释100倍后测其在281 nm处的吸光度，重复以上步骤，直至测得滤液的吸光度值为0，说明复合材料中的木质素已完全溶出。

1.3.5 脱除木质素的醋酸纤维材料对木质素的吸附

将脱除木质素的复合材料对木质素进行吸附，以此来判定其吸附性能的好坏。

由表2可以看出，滤液的吸光度值随NaOH质量分数的增加先增大后减小，当NaOH质量分数为5%时吸光度值达最大，说明滤液中木质素浓度最大。所以，选取质量分数为5%的NaOH为溶解复合材料的最佳浓度。

2.1.2 溶解时间对脱除复合材料中木质素的影响

实验条件：取0.2 g复合材料在适量的质量分数为5%的NaOH溶液中溶解，固定溶解温度为40℃，改变溶解时间，溶解完成以后，过滤，取0.5mL滤液稀释100倍后测其在281 nm处的吸光度，考察溶解时间对复合材料脱除木质素的影响。结果见表3。

表3 不同溶解时间下滤液的吸光度值

由表3中的数据可以看出，随着溶解时间的增加，滤液吸光度值先增大后减小，在30min时吸光度达到最大值，说明此时滤液中木质素浓度最大。所以，最佳溶解时间为30min。

2.1.3 溶解温度对脱除复合材料中木质素的影响

实验条件：取0.2 g复合材料在适量的质量分数为5%的NaOH溶液中溶解，固定溶解时间30min，改变溶解温度，考察溶解温度对复合材料脱除木质素的影响。待溶解完成以后，过滤，取0.5mL滤液稀释100倍后测其在281 nm处的吸光度。结果见表4。

表4 不同温度溶解后滤液的吸光度值

从表4中可以看出，随着溶解温度的增加，滤液的吸光度值先增大后减小，在40℃时吸光度值达最大，说明滤液中木质素浓度最大。所以，脱除木质素过程中最佳溶解温度为40℃。

2.2 脱除木质素的醋酸纤维材料对木质素的吸附

2.2.1 搅拌吸附和静置吸附

取2 g木质素/醋酸纤维复合材料，在120 mL质量分数为5%的NaOH溶液中溶解，过滤，将滤渣烘干，待用。取0.5mL滤液稀释100倍后测其在281 nm处的吸光度，测得吸光度值为1.632。烘干的滤渣称量后为0.78 g，分别取0.2 g滤渣，40mL滤液，将滤渣放入滤液中吸附木质素，一组不断搅拌吸附，一组静置吸附，吸附时间均为30min。吸附完成后过滤，滤液待用，取0.5 mL醋酸纤维材料吸附后的滤液稀释100倍后测其在281 nm处的吸光度。结果见表5。

表5 搅拌吸附和静置吸附下滤液的吸光度值

从表5中可以看出，搅拌吸附下的吸光度值比静置吸附下的吸光度值小，说明搅拌有利于脱除木质素的醋酸纤维材料吸附木质素。

2.2.2 对碱木质素溶液的吸附

取一定量的木质素/醋酸纤维复合材料在质量浓度为5%的NaOH中使木质素充分溶出，过滤，将滤饼干燥后平均分为2份，滤液作为碱木质素溶液待用；称取1 g木质素，用40mL 95%的乙醇溶解40min后过滤，滤液作为乙醇木质素溶液待用。

2.2.2.1 吸附碱木质素溶液

实验条件：取0.5mL碱木质素溶液稀释100倍后测其吸光度，用第1份滤饼吸附、过滤，取0.5 mL吸附后的滤液稀释100倍后测吸光度。结果见表6。

表6 吸附碱木质素溶液前后的吸光度

2.2.2.2 吸附乙醇木质素溶液

实验条件：吸取0.5mL乙醇木质素溶液，稀释100倍，测吸附前吸光度值。用第2份滤饼吸附乙醇木质素溶液，过滤，取0.5mL溶液稀释100倍后，测吸附后溶液吸光度值。

表7 吸附乙醇木质素溶液前后的吸光度

由表6和表7可知，醋酸纤维材料对碱木质素的吸附比对乙醇木质素的吸附效果好，对碱木质素的吸附达到64.51%。

3 结论

木质素醋酸纤维材料的脱木质素的较佳条件为：NaOH浓度为5%，溶解温度为40℃，溶解时间为30min。脱木质素的醋酸纤维材料对木质素溶液有一定的吸附作用，可用来做木质素的吸附材料。

[1]李忠正.可再生生物资源-木质素的研究[J].南京林业大学学报（自然科学版），2012,36（1）:1-7.

[2]路瑶，魏贤勇，宗志敏，等.木质素的结构研究及应用[J].化学进展，2013,25（5）:838-858.

[3]邱卫华，陈洪章.木质素的结构、功能及高值化利用[J].纤维素科学与技术，2006,14（1）:52-59.

[4]王延平，刘存海.木质素的结构及应用[J].西南造纸，2006,35（5）:13-17.

[5]李忠正.工业木质素资源利用的现状与发展[J].中国造纸，2003,22（5）:47-51.

[6]王华，陈明强，张晔，等.木质素分离研究进展[J].广州化工，2012,40（6）:7-9.