造紙黑液中木質素的分離與結構表征

沈德魁 胡 珺 肖 睿 張會巖

(1東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點試驗室，南京 210096)

(2中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點試驗室，廣州 510640)

造紙黑液中木質素的分離與結構表征

沈德魁1，2胡 珺1肖 睿1張會巖1

(1東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點試驗室，南京 210096)

(2中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點試驗室，廣州 510640)

為了綜合利用造紙黑液，分別采用H2SO4溶液和H3PO4溶液從黑液中沉淀粗木質素，并分別用苯－乙醇溶液和丙酮溶液對其抽提純化.考察了采用不同酸沉淀及溶劑抽提對木質素得率的影響，并對黑液木質素進行了元素分析、傅里葉紅外光譜分析、13C NMR以及1H NMR等結構表征.實驗結果表明:采用不同酸沉淀及溶劑抽提得到的木質素結構相差不大，采用H2SO4沉淀及苯－乙醇抽提方法制備的苯－乙醇木質素得率最高;黑液木質素含有較多的愈創木酚－紫丁香酚單元結構，呈現明顯的硬木木質素特征;在苯－乙醇木質素與丙酮木質素中，苯丙烷結構單元經驗式分別為C9H12.61O1.1(OCH3)1.43和C9H13.33O2.10(OCH3)1.38，每個C9單元中的β—O—4鍵僅為0.28和0.27個，β—β鍵僅為0.15和0.11個;黑液木質素中羥基和羧基數量較磨木木質素豐富.黑液木質素具備多種活性官能團，表現出與磨木木質素不同的結構特征，應用前景廣闊.

黑液;木質素;分離;結構

木質素是一種廣泛存在于生物質中的高分子化合物，大約占陸地生物總量的1/3，在自然界中數量僅次于纖維素.木質素結構復雜，是一種苯基丙烷類結構單元通過碳碳鍵和醚鍵連接而成的化合物，含有多種活性官能團［1－3］.作為原材料，木質素在制備生物質能源以及合成樹脂、橡膠、建材助劑、化學品等方面都有很好的應用［1］.

在造紙工業的堿法制漿中，由于強堿的作用，造紙原料中木質素的部分醚鍵發生斷裂，木質素大分子逐步降解，并以木質素鈉鹽的形式完全溶解，析出纖維素.造紙黑液中木質素的質量分數為15%～30%，由于得不到充分利用，變成了環境污染物，同時也造成了資源的浪費.從造紙黑液中制備木質素，進行綜合利用，可實現經濟效益、環境效益和社會效益的統一［4］.

利用酸中和造紙黑液時，酸中的氫離子取代堿木質素中的鈉離子，使堿木質素的膠體受到破壞，成為難溶或不溶于水的沉淀物.分離出沉淀物，便可得到粗制木質素;再通過溶液萃取除去殘余糖類，可以獲得純化的木質素［4－5］.

本文分別采用H2SO4溶液和H3PO4溶液從造紙黑液中制備粗木質素，然后分別用苯－乙醇和丙酮溶液對粗木質素抽提純化.考察不同酸沉淀和溶劑抽提對木質素得率的影響;利用元素分析、紅外光譜分析、13C NMR以及1H NMR等分析手段解析木質素結構，以深入認識黑液木質素的化學結構信息，為更好地綜合利用造紙黑液木質素提供基礎數據.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用黑液原料取自湖南岳陽某造紙廠，該造紙廠以楊木制漿為主.

1.2 木質素的粗提與純化

首先，采用H2SO4溶液(或H3PO4溶液)從黑液中制備粗木質素.取適量黑液，利用體積分數為50%的H2SO4溶液(或H3PO4溶液)調節黑液pH值為2.待pH值穩定后，用磁力攪拌器攪拌1 h，再置于55℃的恒溫水浴中保溫1 h.采用真空抽濾分離出濾餅，用去離子水洗滌3～5次.將濾餅在85℃的鼓風干燥器中干燥12 h，即可得到H2SO4粗木質素(或H3PO4粗木質素)

然后，分別采用苯－乙醇溶液和丙酮溶液對粗木質素進行提純，得到苯－乙醇木質素和丙酮木質素.苯－乙醇木質素的提純方法如下:利用苯－乙醇(體積比為1∶2)溶液，于85℃下將粗木質素抽提約12 h，抽提后的不溶物為苯－乙醇雜質.將抽提液轉移至梨形瓶中，于真空條件下45℃旋轉蒸發濃縮，除去苯－乙醇溶液，得到固形物.采用去離子水對固形物洗滌3～5次，所得產物在85℃的鼓風干燥器中干燥12 h，即得苯－乙醇木質素.丙酮木質素的提純方法如下:將粗木質素溶于丙酮－水(體積比為3∶2)溶液中，靜置12 h.靜置后的樣品在400 r/min下離心分離，所得固形物為丙酮雜質.收集離心分離后的上清液，將其轉移至梨形瓶中，于真空條件下45℃旋轉蒸發濃縮，除去丙酮－水溶液，得到固形物.采用去離子水對固形物洗滌3～5次，所得產物在85℃的鼓風干燥器中干燥12 h，即得丙酮木質素.

1.3 黑液中木質素的結構表征

1.3.1 紫外分光光度計的測定

將經過純化后的木質素鈉鹽作為對照品，利用752型紫外可見分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)，分別測定不同濃度的木質素標準液以及黑液樣品在木質素特征吸收波長280 nm處的吸光度.利用外標法，獲得黑液原料中木質素的濃度，進而獲得不同方法提取純化木質素的得率［6］.

1.3.2 元素分析

采用Vario Micro型元素分析儀測定苯－乙醇木質素、丙酮木質素以及苯－乙醇雜質、丙酮雜質中所含的C，H，N，S四種元素的質量分數;O元素的質量分數通過質量平衡差值獲得.

1.3.3 紅外光譜分析

將粗木質素、苯－乙醇木質素、丙酮木質素、苯－乙醇雜質和丙酮雜質與適量的KBr在干燥條件下混合均勻，壓片.在Bruker Vector 22型傅里葉紅外光譜儀上測定其傅里葉紅外光譜，掃描范圍為400 ～4 000 cm－1.

1.3.413C NMR的測定

以二甲基亞砜(DMSO)作溶劑和內標，利用Bruker AV400型核磁共振波譜儀，測定苯－乙醇木質素、丙酮木質素的13C NMR.采用化學位移δ=39.5時的甲基峰作為內標，在100.62 MHz處進行測定，掃描次數為2.3×104次.

1.3.51H NMR的測定

分別取100 mg苯－乙醇木質素和丙酮木質素，溶解于2 mL吡啶－乙酸酐(體積比為1∶1)溶液中，靜置12 h.滴加乙醚，溶液中沉淀出木質素.利用乙醚反復洗滌該木質素，至無吡啶氣味，得到乙酰化的苯－乙醇木質素和丙酮木質素.

以氘代甲烷(CDCl3)作溶劑，四甲基硅烷(TMS)作內標，利用Bruker AV400型核磁共振波譜儀，測定乙酰化后的苯－乙醇木質素、丙酮木質素的1H NMR.

2 結果與討論

2.1 木質素的得率分析

木質素得率取3組平行試驗的平均值.粗提的木質素得率相差不大，H2SO4粗木質素和H3PO4粗木質素的質量均約為原黑液質量的22%.考慮到H2SO4的市場價格比較低，故制備H2SO4粗木質素的經濟性較好.后續分析中如未加說明，粗木質素均指H2SO4粗木質素.

對H2SO4粗木質素分別采用苯－乙醇和丙酮抽提.采用苯－乙醇抽提所得的苯－乙醇木質素得率(占原黑液質量的18.43%)較利用丙酮純化得到的丙酮木質素得率(占原黑液質量的14.59%)高.造成此現象的主要原因是，本試驗中所用的丙酮溶劑法無法完全回收固形物.需要指出的是，由于本試驗中采用的黑液是經過濃縮的，故木質素的得率較文獻［7－8］中高.

2.2 紫外光譜結果分析

配制一組不同濃度的木質素鈉鹽溶液作為對照品溶液，在木質素的特征吸收波長280 nm處分別測出各濃度樣品對應的吸光度A，作出標準曲線.所得標準曲線的回歸方程為

式中，X表示溶液的濃度，mg/L;Y表示溶液的吸光度值.該方程的相關系數R2=0.998 4，表示方程線性關系良好.

取5.26 g黑液，稀釋后在280 nm處測其吸光度值為0.53，代入標準曲線的回歸方程.計算得到黑液中木質素質量的平均值為1.18 g，即黑液中木質素的質量分數為22.44%.

采用H2SO4沉淀以及苯－乙醇抽提獲得的苯－乙醇木質素相對黑液的總得率為18.43%，通過計算可得苯－乙醇木質素相對于黑液中總木質素的總得率為82.13%.由此可見，采用H2SO4沉淀以及苯－乙醇抽提的方法，能將黑液中的大部分木質素提取出來.

2.3 元素分析

苯－乙醇木質素、丙酮木質素、苯－乙醇雜質和丙酮雜質的元素組成見表1.苯－乙醇木質素、丙酮木質素中w(C)均較高，分別為67.98%和62.35%，w(N)和w(S)均較低;同時，丙酮木質素中w(O)較苯－乙醇木質素略高，這可能是由于前者還殘留有一些聚糖類.與之相對應的2種雜質中，C含量較少，O含量較多，這是由于雜質中糖類(多為五碳糖類化合物)較多所造成的［2］.由此可見，純化過程能有效除去粗木質素中的部分糖類雜質.

表1 木質素及其雜質的元素分析 %

2.4 紅外光譜結果分析

表2列出了木質素分子結構中特征基團對應的紅外吸收光譜特征峰歸屬［1，4］.圖1為粗木質素、苯－乙醇木質素、丙酮木質素、苯－乙醇雜質和丙酮雜質的紅外光譜譜圖.圖1中曲線a上峰的序號對應于表2中的序號.從譜圖中可以看出，3種木質素在3 425 cm－1附近均存在強的羥基吸收峰，2 920 cm－1處存在明顯的甲基和次甲基拉伸振動峰，1 470～1 460 cm－1處則存在甲基和亞甲基的彎曲振動峰.1 715～1 705 cm－1處的伸縮振動吸收峰表明了非共軛羰基或酯鍵中羰基的存在.1 605～1 595 cm－1，1510～1505 cm－1，1 430 ～1 425 cm－1處存在較強的芳香環骨架振動吸收峰.除了1270 cm－1處存在強的愈創木基結構單元吸收信號外，1120 cm－1附近也出現了較強的紫丁香基結構單元的吸收峰，表現出典型的闊葉類植物中木質素的化學結構特征［1，9］.

表2 木質素的紅外吸收光譜帶

圖1 黑液木質素及其雜質的紅外光譜

由圖1可知，粗木質素(圖1中曲線 a)在3 425 cm－1處的吸收峰較2種純化木質素(圖1中曲線b，c)的吸收峰強，表明其存在更多的羥基.粗木質素在1 085 cm－1(仲醇、仲醚的C—O彎曲振動)和1 030 cm－1(伯醇、伯醚的C—O彎曲振動)處的吸收峰也較純化木質素強.相對于木質素而言，半纖維素和纖維素中含有更豐富的伯醇和仲醇［2，10］.粗木質素中的這些特征信號表明，采用酸沉淀法制備木質素的同時會沉淀出黑液中的部分半纖維素等糖類.而純化后的木質素在這些區域內的峰相對較弱，說明純化過程能很好地除掉粗木質素中的部分糖類雜質.對比苯－乙醇木質素(圖1中曲線b)與丙酮木質素(圖1中曲線c)，除了前者在2 920 cm－1處的甲基和亞甲基拉伸振動吸收峰稍強外，其余處吸收峰的強度相差不大，說明采用這2種溶劑純化對木質素結構影響較小.

對比苯－乙醇雜質、丙酮雜質(圖1中曲線d，e)與苯－乙醇木質素、丙酮木質素(圖1中曲線b，c)的紅外譜圖可以發現，雜質表現出明顯的半纖維素和纖維素特征［3］.雜質在1 550～1 100 cm－1處的吸收峰強度較低，表明苯環含量較少;3 425 cm－1處的吸收峰強度較高，表明存在更多的羥基;1 100～1 000 cm－1之間也呈現出較強的吸收峰，表明存在較多的伯醇、伯醚和仲醇、仲醚［2－3］.雜質與木質素的紅外光譜分析結果進一步說明純化過程能有效去除部分糖類雜質.

2.5 13C NMR結果分析

近年來，13C NMR分析廣泛應用于天然有機化合物的分子結構測定方面.文獻［1，4，11］均詳細給出了不同木質素中13C對應的化學位移.

圖2為苯－乙醇木質素和丙酮木質素的13C NMR譜圖.表3給出了苯－乙醇木質素、丙酮木質素中每個C9單元上主要官能團化學位移δ的分布.根據表中的積分區間，對2種木質素的13C NMR譜圖在各范圍區間的信號進行積分.將芳香環區域的積分值定為6.12，則積分所得的各基團數均基于一個芳香環，根據積分數值便可確定相應的C9單元結構中各基團的分布情況.對于苯－乙醇木質素，每個C9單元中含有1.43個甲氧基，結合元素分析，可估算出相應的木質素苯丙烷結構單元經驗式為C9H12.61O1.1(OCH3)1.43.同樣地，對于丙酮木質素，每個C9單元中含有1.38個甲氧基，由此便可估算出相應的木質素苯丙烷結構單元的標準經驗式為(OCH3)1.38.

圖2 黑液木質素的13C NMR譜圖

表3 黑液木質素中的主要官能團分布

從表3中的數據可以看出，對于苯－乙醇木質素和丙酮木質素，每個C9單元環中分別含有1.43和1.38個甲氧基.這一數值明顯高于文獻［1］中的結果，可能是制漿過程及木質素制備過程不同所致.對于羰基，二者含量較少，均為0.03個左右，香蘭素中分別含有0.02和0.01個醛羰基.苯－乙醇木質素和丙酮木質素中的羧基數分別為0.18和0.21，這與文獻［1］的結果近似.黑液木質素中的羧基較磨木木質素［12］高，這是由于制漿過程和酸沉淀過程中側鏈上部分醇羥基以及羰基的氧化所導致的［4］.

表4為黑液木質素部分連接鍵在每個C9單元環上的分布［11，13－14］.數據表明，C9 單體之間以β—O—4連接鍵為主，但與磨木木質素中β—O—4連接鍵分布頻率(約每個C9單元上含有0.40～0.50個)相比，苯－乙醇木質素和丙酮木質素中的β—O—4連接鍵均較少，每個C9單元上分別為0.28和0.27個.這是由于β—O—4鍵不穩定，容易在制漿過程中水解［15－17］.此外，苯－乙醇木質素和丙酮木質素中的5—5鍵和β—β鍵含量較文獻［11］中的磨木木質素高，其原因可能是木質素在水解的同時易發生縮合反應［15－17］.值得注意的是，在5—5鍵的信號區間內，可能有較多的芳香環信號與其重疊，導致5—5鍵的分布頻率偏大.

表4 黑液木質中素的部分連接鍵分布

2.6 1H NMR結果分析

圖3為純化后的2種木質素的1H NMR譜圖.表5為苯－乙醇木質素和丙酮木質素中每個C9單元上的質子數分布［12－13，18］.

圖3 黑液木質素的1H NMR譜圖

表5 黑液木質素中的質子數分布

由圖3可知，苯－乙醇木質素和丙酮木質素在化學位移δ=6.6處均有較明顯的信號，表明其含有紫丁香單元.這與紅外譜圖的結果相符，從而驗證了黑液木質素具有愈創木－紫丁香結構.在1H NMR譜圖中，當δ=2.60～2.16和2.16～1.40時峰面積較大，表明其含有較多的羥基.文獻［12］指出，楊木磨木木質素中每個C9單元所含的酚羥基和脂肪族羥基分別為0.49和1.02個，較本文中的2種純化木質素少.黑液木質素中羥基較多這一現象，是由制漿過程和酸沉淀過程中β—O—4鍵等連接鍵水解所造成的，此結果與13C NMR譜中β—O—4鍵較少的結論相吻合［16］.

從譜圖中還可以看出，純化后的木質素中仍存在少量的碳氫化合物雜質.

3 結語

采用H2SO4沉淀及苯－乙醇抽提法，可以從造紙黑液中制備出較多的木質素.對H2SO4沉淀出的粗木質素，采用2種溶劑(苯－乙醇與丙酮)抽提得到的木質素化學結構相差不大，其苯丙烷結構單元的標準經驗式分別為 C9H12.61O1.1(OCH3)1.43和 C9H13.33O2.10(OCH3)1.38.黑液木質素中β—O—4鍵較磨木木質素少，而5—5鍵和β—β鍵則較多.此外，黑液木質素的酚羥基、脂肪羥基和羧基數量也較多.黑液木質素表現出與磨木木質素不同的結構特征，富含多種特征基團，原材料產量十分豐富，故應用前景廣闊.

［1］蔣挺大.木質素［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［2］Fengel D，Wegener G W.Chemistry，ultrastructure，reactions［M］.Berlin:Walter de Gruyter Inc.，1984.

［3］Yang Haiping.Characteristics of hemicellulose，cellulose and lignin pyrolysis［J］.Fuel，2007，86(12/13):1781－1788.

［4］Lin S Y，Dence C W.Methods in lignin chemistry［M］.Berlin:Springer-Verlag，1992.

［5］Lundquist K，Simonson R.Lignin preparations with very low carbohydrate content［J］.Svensk Papperstidn，1975，78(11):390.

［6］Baghy M O，Cunningham R L，Maloney R L.Ultraviolet spectral determination of lignin［J］.Tappi Tech Ass Pulp Pap Indus，1973，56(4):162－163.

［7］Mussatto S I，Fernandes M，Roberto I C.Lignin recovery from brewer's spent grain black liquor［J］.Carbohydrate Polymers，2007，70(2):218－223.

［8］Sun R，Tomkinson J，Bolton J.Effects of precipitation pH on the physico-chemical properties of the lignins isolated from the black liquor of oil palm empty fruit bunch fibre pulping［J］.Polymer Degradation and Stability，1999，63(2):195－200.

［9］Shen D K.The pyrolytic degradation of wood-derived lignin from pulping process［J］.Bioresource Technology，2010，101(15):6136－6146.

［10］Shen D.The pyrolytic behavior of cellulose in lignocellulosic biomass:a review［J］.RSC Advances，2011，1(9):1641－1660.

［11］Holtman K M.Quantitative13C NMR characterization of milled wood lignins isolated by different milling techniques［J］.Journal of Wood Chemistry and Technology，2006，26(1):21－34.

［12］秦特夫.杉木和－三北－一號楊磨木木質素化學官能團特征的研究［J］.林業科學，1999，35(3):69－75.Qin Tefu.The chemical structures and characteristics of the MWLs of Chinese fir(cunninghamia lanceolata)and polar“sanbei”No.1(populus nigra × p.simonii)wood［J］.Scientia Silvae Sinicae，1999，35(3):69－75.(in Chinese)

［13］Fukushima R S，Kerley M S.Use of lignin extracted from different plant sources as standards in the spectrophotometric acetyl bromide lignin method［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59(8):3505－3509.

［14］Nagy M.Characterization of CO2precipitated kraft lignin to promote its utilization［J］.Green Chemistry，2010，12(1):31－34.

［15］Adle E.Lignin chemistry—past，present and future［J］.Wood Science and Technology，1977，11(3):169－218.

［16］Froass P M，Ragauskas A J，Jiang J.Chemical structure of residual lignin from kraft pulp［J］.Journal of Wood Chemistry and Technology，1996，16(4):347－365.

［17］Froass P M，Ragauskas A J，Jiang J.Nuclear magnetic resonance studies.4.analysis of residual lignin after kraft pulping［J］.Ind Eng Chem Res，1998，37(8):3388－3394.

［18］Kosa M.Pyrolysis oils from CO2precipitated kraft lignin［J］.Green Chemistry，2011，13(11):3196－3202.

Isolation and characterization of lignin in black liquor

Shen Dekui1，2Hu Jun1Xiao Rui1Zhang Huiyan1

(1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China)

To utilize the black liquor effectively，crude lignin was precipitated with H2SO4and H3PO4，and then extracted with benzene-ethanol and acetone for purification，respectively.Effects of different acids and solvents on lignin yield were studied，and the structural characteristics of black liquor lignin were examined by elemental analysis，Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)，carbon-13 nuclear magnetic resonance(13C NMR)and proton nuclear magnetic resonance(1H NMR)spectroscopy.The results show that lignins prepared by different methods present no difference on structure，and benzene-ethanol-extracted lignin which is precipitated by H2SO4and purified with benzene-ethanol gives the highest yield.The lignin presents a guaiacol-syringol structure characteristics assigned to hardwood.The chemical formula of phenyl propane units are estimated to be C9H12.61O1.1(OCH3)1.43for benzene-ethanol-extracted lignin and C9H13.33O2.10(OCH3)1.38for acetone-extracted lignin.The benzene-ethanol-extracted lignin and acetone-extracted lignin elucidate β—O—4 bonds as 0.28 and 0.27 and β—β bonds as 0.15 and 0.11 per C9 units，respectively.Moreover，the content of hydroxyl groups and carboxyl groups of black-liquor lignin was greater.Black-liquor lignin with various functionality groups presents an active chemical structure over milled wood lignin，exhibiting its potential utilization as an important feedstock.

black liquor;lignin;isolation;structure

O636.2;TK6

A

1001－0505(2013)01-0120-05

10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.023

2012-04-25.

沈德魁(1981—)，男，博士，副教授;肖睿(聯系人)，男，博士，教授，博士生導師，ruixiao@seu.edu.cn.

江蘇省高校自然科學基金資助項目(12KJB480005)、中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點試驗室開放基金資助項目.

沈德魁，胡珺，肖睿，等.造紙黑液中木質素的分離與結構表征［J］.東南大學學報:自然科學版，2013，43(1):120－124.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.023］