离子液体对稻壳纤维素的溶降解实验开题报告

我国每年产生稻壳约0.4亿吨^[1]，稻壳具有灰分含量高、营养成分少、硬度大等特点，目前其利用程度较低。大部分稻壳被焚烧或直接废弃，不但污染环境，还不利于资源的充分利用。稻壳中主要含半纤维素、木质素、纤维素和无定形二氧化硅等物质，如何合理，高效的利用稻壳所含的纤维素，是一个重要而具有挑战性的研究课题。

离子液体作为一种新型的绿色溶剂，有着不挥发、热稳定性和化学稳定性高、溶解性好、性能可调、易于分离、易回收和循环使用等特点,其在溶降解纤维素方面的应用近几年得到广泛的重视。本实验探究离子液体溶降解稻壳纤维素的能力以及实验条件优化。

研究内容

1. 比较几种离子液体对稻壳纤维素的溶解状况并选出较适宜的离子液体。

2. 对选择出的较适宜的离子液体进行实验条件（如温度，溶解时间等）的优化。

3. 微波，超声波以及微波 超声波复合对离子液体溶解稻壳纤维素的影响。

拟解决的关键问题

利用正交试验优化离子液体溶解稻壳纤维素的实验条件。

随着石油、煤炭等不可再生资源的储量不断下降，人们开始寻找可再生的新型资源。纤维素因其可再生性和储量巨大而备受关注。我国每年产生稻壳有四千万吨之多，如不能有效利用不仅不利于保护环境，也不利于资源的充分利用。稻壳中主要含有纤维素，半纤维素，木质素和无定形二氧化硅。如何绿色高效的从稻壳中提取出纤维素是一个艰巨的课题。

纤维素的结构单体为D-吡喃葡萄糖环，它们之间以β-1,4-糖苷键相互连接而形成线形高分子化合物(如图1)。^[2]。羟基上的氢原子与另一羟基上电负性很强的氧原子上的孤对电子，相互吸引可以形成氢键，因此纤维素大分子之间、纤维素和水分子之间、纤维素大分子内以及纤维素和其他大分子之间，都可以形成氢键，同时纤维素的聚合度（DP）非常大，在2000~15000左右^[3]。当大量的游离羟基形成氢键时，纤维素的氢键网络是非常巨大的，这给我们从生物质中提取纤维素带来了困难。

离子液体也称低温熔融盐，因其作为溶剂符合绿色化学规则，而备受关注。与传统的的有机溶剂相比，离子液体具有可设计性、极低的蒸汽压、热稳定性、化学稳定性、较宽的电化学稳定电位窗口、易分离、易回收和可循环利用等特点。人们发现第一个的离子液体是硝基乙胺^[4]。

离子液体在纤维素化学领域的应用可以追溯到1934年由Graenacher^[5]首次发现。但是直到2002年Rogers等^[6]报道了离子液体中溶解纤维素的研究成果，并因此而获得2005年的美国总统绿色化学挑战奖学术奖，离子液体在纤维素化学领域的应用才真正被关注。从那以后许许多多的离子液体被设计出来以溶解纤维素。如最早广泛使用的[C₄mim]Cl, 该离子液体黏度大、熔点较高、溶解纤维素操作相对麻烦,特别是该离子液体的吸水能力强，影响溶解效果。咪唑阳离子的甲酸盐、乙酸盐、烷基磷酸盐离子液体在低温溶解纤维素方面显示了独特优势^[7]。目前为止，用作溶解纤维素的离子液体主要是咪唑型离子液体，以为此类离子液体具有较好的稳定性和对纤维素降解程度较轻。离子液体的阴离子离子液体阴离子多为卤素、乙酸根、甲酸根、烷基磷酸根等。除此之外，季铵盐的氯化物和胆碱类离子液体也被用于溶解纤维素，且因其低价、易溶解和易回收利用而有一定的应用前景。

有研究表明离子液体对纤维素的溶解能力与离子液体的碳链长度有着显著的关系，随着碳链的增长，离子液体对纤维素的溶解能力呈逐步下降的趋势。

国内外一系列研究显示离子液体对纤维素优异的溶解性能是由于阴离子较强的形成氢键能力。阴离子作为氢键受体的能力越强，离子液体溶解纤维素能力也越强。Cl^-、Ac^-等因为具有较强的氢键结合能力而使相应的离子液体能够较好地溶解能力，而[BF₄]^- 、[PF₆]^-等因为较弱的氢键结合能力而在溶解纤维素方面表现较差。同时也有研究表明微波加热可以增大纤维素在离子液体中的溶解度。

多数人认为离子液体溶解纤维素的的机理可以描述为（如图2）：离子液体中的咪唑阳离子是一个电子接受体中心，而阴离子X^-为电子给予体中心，两个中心分别与纤维素羟基的氧原子和氢原子相互作用，引起羟基的氧原子和氢原子分离，使纤维素中分子链间的氢键打开，从而实现纤维素的溶解。^[7]

在利用离子液体从生物质中溶解纤维素的同时还有一个值得注意的问题，生物质中不单单只有纤维素，因此还要考虑到怎样将离子液体中纤维素与离子液体溶解的其他物质分离出来。目前向离子液体溶解体系中加入的沉淀剂大多是去离子水、无水乙醇和丙酮等物质，这些物质因为能够与离子液体形成更强的氢键而使纤维素等物质从溶解体系析出。也有向离子液中加入一定浓度的NaOH溶液，使离子液体中几乎不含有生物质成分，经过很少的处理就可以回收利用。向溶解体系中加入四氢呋喃等物质可以析出体系中的半纤维素。

目前离子液体在溶解生物质中的纤维素方面还在不断发展着，扩展方向是极大的。离子液体在溶解稻壳纤维素的研究目前尚未见到较多报道，为此本课题主要通过比较几种离子液体对稻壳纤维素的溶解能力的大小来选择适合的溶解稻壳纤维素的离子液体；同时采用正交试验法优化实验条件，以求得离子液体溶解稻壳中纤维素的最优条件，并力求以此来提高稻壳纤维素的利用率。

研究计划及进度：

2014.11.20~2015.02.25熟悉课题、文献检索及文献总结；

2015.01.01~2015.03.11完成开题报告的撰写，开始英文资料翻译；

2015.03.12~2015.04.30实验阶段；

2015.05.14~2015.05.27撰写论文初稿；

2015.05.28~2015.06.30修改并完成论文，准备论文答辩等。

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