廖政達(dá)　藍(lán)峻峰　阮俊榕等

摘要：利用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)方法考察了催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、乙二醇與甘蔗渣液固比及微波處理時(shí)間等因素對(duì)甘蔗渣乙二醇液化效果的影響。結(jié)果表明，最佳工藝為催化劑用量6%，反應(yīng)溫度170 ℃，反應(yīng)時(shí)間150 min，乙二醇與甘蔗渣液固比10∶1，微波預(yù)處理時(shí)間4 min。在此條件下，甘蔗渣液化率可達(dá)92.80%。

關(guān)鍵詞：甘蔗渣；微波；乙二醇；液化

中圖分類號(hào)：TS724；S216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）07-1650-04

甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品，是一種重要的可再生資源。中國是僅次于巴西和印度的第三大甘蔗種植國，南方地區(qū)甘蔗年總產(chǎn)量約7 000萬t，甘蔗渣年產(chǎn)量達(dá)700萬t。甘蔗渣的成分以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主[1]。長期以來大批量的甘蔗渣沒有得到充分的利用，而是作為燃料燒掉或廢棄。開發(fā)利用甘蔗渣資源，不但可以提高糖廠的經(jīng)濟(jì)效益，還可為其他行業(yè)提供大量的資源，具有十分重大現(xiàn)實(shí)意義[2]。

隨著生物質(zhì)液化技術(shù)的不斷成熟，液化已成為天然木質(zhì)素等原料利用的主要途徑之一[3-5]。利用甘蔗渣等植物生物質(zhì)原料液化降解，可以得到富含羥基的多元醇液化產(chǎn)物，并通過與異氰酸酯反應(yīng)，制得了聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料[6，7]，不但可以提高甘蔗渣的附加值， 而且也為甘蔗渣資源的利用開辟了一條新途徑。本研究通過微波預(yù)處理甘蔗渣，考察了催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、乙二醇與甘蔗渣液固比、微波預(yù)處理時(shí)間對(duì)液化效果的影響，以期為甘蔗渣的綜合利用提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑 甘蔗渣（廣西柳興制糖有限公司）；乙二醇（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）；98%濃硫酸（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）；液體石蠟油（廣東汕頭市西隴化工廠）。

1.1.2 儀器 FA2004B型電子天平（上海越平儀器有限公司）；SHB-BP5A型水循環(huán)真空泵（河南鞏義英峪予華儀器有限公司）；DF-101S型集熱式恒溫磁力攪拌器（河南鞏義英峪予華儀器有限公司）；強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)（上海昂尼儀器儀表有限公司）；KJ17C-H型微波爐（廣東順德美的制造公司）；FW100型高速萬能粉碎機(jī)（杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司）；電熱恒溫干燥箱（上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠）。

1.2 方法

1.2.1 甘蔗渣的處理 將去除雜質(zhì)的甘蔗渣粉碎，過40～80目篩，置于恒溫干燥箱中，在（85±3） ℃條件下恒溫干燥12 h。取出后放入干燥器中冷卻、存留備用。

1.2.2 甘蔗渣的液化過程 將稱量好的甘蔗渣放入250 mL三角燒瓶中，并將三角燒瓶放入已調(diào)好時(shí)間的微波爐中進(jìn)行微波預(yù)處理，開啟微波爐并記時(shí)。待微波處理完成后取出燒瓶，將乙二醇、98%濃硫酸按照一定液固比依次加入三角燒瓶中，并迅速將其放入預(yù)設(shè)好溫度的油浴鍋中加熱，接上冷凝管，開啟攪拌器。待反應(yīng)達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間后，停止加熱，關(guān)閉攪拌器，取出反應(yīng)器，冷卻至室溫。

1.2.3 甘蔗渣液化率的測定 用無水乙醇稀釋甘蔗渣乙二醇液化產(chǎn)物，減壓過濾，再用無水乙醇洗滌殘?jiān)翞V液變成無色。將過濾殘?jiān)B同濾紙一起放入干燥箱中（103±2） ℃下干燥至衡重，取出殘?jiān)糜诟稍锲髦欣鋮s至室溫，稱重并計(jì)算甘蔗渣的液化率。公式為YL=（m0-mr）/m0×100%。式中，mr為甘蔗渣液化殘?jiān)|(zhì)量（g）；m0為液化前甘蔗渣質(zhì)量（g）；YL為甘蔗渣液化率（%）。

1.2.4 單因素試驗(yàn) ①催化劑用量對(duì)甘蔗渣液化率的影響。在反應(yīng)溫度110 ℃，反應(yīng)時(shí)間90 min，乙二醇與甘蔗渣液固比5∶1，微波預(yù)處理時(shí)間4 min的條件下，分別考察不同催化劑用量對(duì)甘蔗渣液化率的影響。②反應(yīng)溫度對(duì)甘蔗渣液化率的影響。在催化劑用量7%，反應(yīng)時(shí)間90 min，乙二醇與甘蔗渣液固比5∶1，微波預(yù)處理時(shí)間4 min的條件下，分別考察不同反應(yīng)溫度對(duì)甘蔗渣液化率的影響。③反應(yīng)時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響。在乙二醇與甘蔗渣液固比9∶1，催化劑用量5%，反應(yīng)溫度150 ℃，微波預(yù)處理時(shí)間4 min的條件下，分別考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響。④液固比對(duì)甘蔗渣液化率的影響。在反應(yīng)時(shí)間90 min，催化劑用量8%，反應(yīng)溫度150 ℃，微波預(yù)處理時(shí)間4 min的條件下，分別考察不同液固比對(duì)甘蔗渣液化率的影響。⑤微波預(yù)處理時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響。在反應(yīng)時(shí)間90 min，催化劑用量8%，乙二醇與甘蔗渣液固比5∶1，反應(yīng)溫度150 ℃的條件下，分別考察不同微波預(yù)處理時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響。

1.2.5 正交試驗(yàn) 為確定微波預(yù)處理甘蔗渣乙二醇液化的最優(yōu)工藝，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用L16（45）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，考察微波預(yù)處理時(shí)間（A）、液固比（B）、反應(yīng)溫度（C）、催化劑用量（D）、反應(yīng)時(shí)間（E）的交互作用對(duì)甘蔗渣乙二醇液化效果的影響，因素與水平見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 催化劑用量對(duì)甘蔗渣液化率的影響 催化劑可以促進(jìn)甘蔗渣液化反應(yīng)的進(jìn)行，強(qiáng)酸性催化劑用量不同，對(duì)液化反應(yīng)促進(jìn)作用也不同。試驗(yàn)考察了反應(yīng)溫度110 ℃，液化時(shí)間90 min，液固比5∶1，微波預(yù)處理時(shí)間4 min時(shí)，不同催化劑用量對(duì)甘蔗渣液化率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，隨著催化劑用量的增加，甘蔗渣液化率也在不斷提高。催化劑用量為3%～5%時(shí)，對(duì)甘蔗渣液化率的影響顯著，液化率提高了3.2%；催化劑用量從5%增加到8%時(shí)，液化率變化趨于緩慢，僅提高了0.8%。試驗(yàn)結(jié)果與叢日昕等[8]研究報(bào)道基本一致。

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)甘蔗渣液化率的影響 試驗(yàn)考察了催化劑用量7%，反應(yīng)時(shí)間90 min，液固比5∶1，微波預(yù)處理時(shí)間4 min時(shí)，不同反應(yīng)溫度對(duì)甘蔗渣液化率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，隨著反應(yīng)溫度的升高，甘蔗渣液化率不斷提高。90～110 ℃的溫度范圍內(nèi)時(shí)，甘蔗渣液化率的變化較為平緩；110～170 ℃的溫度范圍內(nèi)，液化率顯著提高，提高了17.6%。這與朱俐靜等[9]的研究結(jié)果基本一致。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響 試驗(yàn)考察了液固比9∶1，催化劑用量5%，反應(yīng)溫度150 ℃，微波預(yù)處理時(shí)間4 min時(shí)，不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，甘蔗渣液化率的總趨勢不斷提高，但在不同的時(shí)間范圍內(nèi)，液化率上升程度不同，在反應(yīng)開始到50 min時(shí)，甘蔗渣液化率為85.0%；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從110 min上升到160 min，甘蔗渣的液化速率快速上升，提高了3.3%。反應(yīng)時(shí)間越久，甘蔗渣液化越充分，液化率越高，但考慮能耗經(jīng)濟(jì)的限制，一般應(yīng)控制一定的液化時(shí)間。

2.1.4 液固比對(duì)甘蔗渣液化率的影響 試驗(yàn)考察了液化反應(yīng)時(shí)間90 min，催化劑用量8%，反應(yīng)溫度150 ℃，微波預(yù)處理時(shí)間4 min時(shí)，不同液固比對(duì)甘蔗渣液化率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)乙二醇與甘蔗渣的液固比在5∶1～7∶1內(nèi)時(shí)，液化率提高較慢；當(dāng)液固比超過7∶1時(shí)，液化率提高較快。

2.1.5 微波處理時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響 試驗(yàn)考察了反應(yīng)時(shí)間90 min，催化劑用量8%，液固比5∶1，反應(yīng)溫度150 ℃時(shí)，不同微波處理時(shí)間對(duì)甘蔗渣液化率的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，微波預(yù)處理時(shí)間4 min時(shí)，甘蔗渣液化率最高。在0～4 min的微波預(yù)處理時(shí)間范圍內(nèi)，甘蔗渣的液化反應(yīng)速度比較快，液化率提高了8.6%； 在4～10 min的微波預(yù)處理時(shí)間范圍內(nèi)，甘蔗渣液化效率反而下降。Yamada等[10]研究報(bào)道在甘蔗渣液化初期，主要是甘蔗渣半纖維素和木質(zhì)素的降解反應(yīng)，后期則主要是難液化的纖維素的降解，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，液化過程產(chǎn)生的木質(zhì)素自由基會(huì)發(fā)生偶合，生成不溶性殘?jiān)?，?dǎo)致殘?jiān)噬仙?/p>

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2，由極差分析可知，甘蔗渣乙二醇液化過程中對(duì)其液化效果影響最大的是反應(yīng)溫度，其次是液固比，再次是催化劑用量和反應(yīng)時(shí)間，最后是微波預(yù)處理時(shí)間。甘蔗渣液化的最優(yōu)工藝條件為A2B4C4D2E3，即微波預(yù)處理時(shí)間4 min，液固比10∶1，反應(yīng)溫度170 ℃，催化劑用量6%，反應(yīng)時(shí)間150 min。最佳試驗(yàn)條件組不在正交試驗(yàn)組合中，故在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到甘蔗渣液化率達(dá)到92.80%。

3 小結(jié)

通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)表明，微波預(yù)處理甘蔗渣乙二醇液化的優(yōu)選工藝條件為微波預(yù)處理時(shí)間4 min，乙二醇與甘蔗渣液固比10∶1，反應(yīng)溫度170 ℃，催化劑用量6%，反應(yīng)時(shí)間150 min，甘蔗渣液化率可以達(dá)到92.80%。利用微波技術(shù)對(duì)甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理，并用乙二醇將其液化，將為甘蔗渣的綜合利用提供一定依據(jù)。

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