造纸黑液中木质素的分离与结构表征

沈德魁 胡 珺 肖 睿 张会岩

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点试验室，南京 210096)

(2中国科学院可再生能源与天然气水合物重点试验室，广州 510640)

造纸黑液中木质素的分离与结构表征

沈德魁1，2胡 珺1肖 睿1张会岩1

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点试验室，南京 210096)

(2中国科学院可再生能源与天然气水合物重点试验室，广州 510640)

为了综合利用造纸黑液，分别采用H2SO4溶液和H3PO4溶液从黑液中沉淀粗木质素，并分别用苯－乙醇溶液和丙酮溶液对其抽提纯化.考察了采用不同酸沉淀及溶剂抽提对木质素得率的影响，并对黑液木质素进行了元素分析、傅里叶红外光谱分析、13C NMR以及1H NMR等结构表征.实验结果表明:采用不同酸沉淀及溶剂抽提得到的木质素结构相差不大，采用H2SO4沉淀及苯－乙醇抽提方法制备的苯－乙醇木质素得率最高;黑液木质素含有较多的愈创木酚－紫丁香酚单元结构，呈现明显的硬木木质素特征;在苯－乙醇木质素与丙酮木质素中，苯丙烷结构单元经验式分别为C9H12.61O1.1(OCH3)1.43和C9H13.33O2.10(OCH3)1.38，每个C9单元中的β—O—4键仅为0.28和0.27个，β—β键仅为0.15和0.11个;黑液木质素中羟基和羧基数量较磨木木质素丰富.黑液木质素具备多种活性官能团，表现出与磨木木质素不同的结构特征，应用前景广阔.

黑液;木质素;分离;结构

木质素是一种广泛存在于生物质中的高分子化合物，大约占陆地生物总量的1/3，在自然界中数量仅次于纤维素.木质素结构复杂，是一种苯基丙烷类结构单元通过碳碳键和醚键连接而成的化合物，含有多种活性官能团［1－3］.作为原材料，木质素在制备生物质能源以及合成树脂、橡胶、建材助剂、化学品等方面都有很好的应用［1］.

在造纸工业的碱法制浆中，由于强碱的作用，造纸原料中木质素的部分醚键发生断裂，木质素大分子逐步降解，并以木质素钠盐的形式完全溶解，析出纤维素.造纸黑液中木质素的质量分数为15%～30%，由于得不到充分利用，变成了环境污染物，同时也造成了资源的浪费.从造纸黑液中制备木质素，进行综合利用，可实现经济效益、环境效益和社会效益的统一［4］.

利用酸中和造纸黑液时，酸中的氢离子取代碱木质素中的钠离子，使碱木质素的胶体受到破坏，成为难溶或不溶于水的沉淀物.分离出沉淀物，便可得到粗制木质素;再通过溶液萃取除去残余糖类，可以获得纯化的木质素［4－5］.

本文分别采用H2SO4溶液和H3PO4溶液从造纸黑液中制备粗木质素，然后分别用苯－乙醇和丙酮溶液对粗木质素抽提纯化.考察不同酸沉淀和溶剂抽提对木质素得率的影响;利用元素分析、红外光谱分析、13C NMR以及1H NMR等分析手段解析木质素结构，以深入认识黑液木质素的化学结构信息，为更好地综合利用造纸黑液木质素提供基础数据.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用黑液原料取自湖南岳阳某造纸厂，该造纸厂以杨木制浆为主.

1.2 木质素的粗提与纯化

首先，采用H2SO4溶液(或H3PO4溶液)从黑液中制备粗木质素.取适量黑液，利用体积分数为50%的H2SO4溶液(或H3PO4溶液)调节黑液pH值为2.待pH值稳定后，用磁力搅拌器搅拌1 h，再置于55℃的恒温水浴中保温1 h.采用真空抽滤分离出滤饼，用去离子水洗涤3～5次.将滤饼在85℃的鼓风干燥器中干燥12 h，即可得到H2SO4粗木质素(或H3PO4粗木质素)

然后，分别采用苯－乙醇溶液和丙酮溶液对粗木质素进行提纯，得到苯－乙醇木质素和丙酮木质素.苯－乙醇木质素的提纯方法如下:利用苯－乙醇(体积比为1∶2)溶液，于85℃下将粗木质素抽提约12 h，抽提后的不溶物为苯－乙醇杂质.将抽提液转移至梨形瓶中，于真空条件下45℃旋转蒸发浓缩，除去苯－乙醇溶液，得到固形物.采用去离子水对固形物洗涤3～5次，所得产物在85℃的鼓风干燥器中干燥12 h，即得苯－乙醇木质素.丙酮木质素的提纯方法如下:将粗木质素溶于丙酮－水(体积比为3∶2)溶液中，静置12 h.静置后的样品在400 r/min下离心分离，所得固形物为丙酮杂质.收集离心分离后的上清液，将其转移至梨形瓶中，于真空条件下45℃旋转蒸发浓缩，除去丙酮－水溶液，得到固形物.采用去离子水对固形物洗涤3～5次，所得产物在85℃的鼓风干燥器中干燥12 h，即得丙酮木质素.

1.3 黑液中木质素的结构表征

1.3.1 紫外分光光度计的测定

将经过纯化后的木质素钠盐作为对照品，利用752型紫外可见分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司)，分别测定不同浓度的木质素标准液以及黑液样品在木质素特征吸收波长280 nm处的吸光度.利用外标法，获得黑液原料中木质素的浓度，进而获得不同方法提取纯化木质素的得率［6］.

1.3.2 元素分析

采用Vario Micro型元素分析仪测定苯－乙醇木质素、丙酮木质素以及苯－乙醇杂质、丙酮杂质中所含的C，H，N，S四种元素的质量分数;O元素的质量分数通过质量平衡差值获得.

1.3.3 红外光谱分析

将粗木质素、苯－乙醇木质素、丙酮木质素、苯－乙醇杂质和丙酮杂质与适量的KBr在干燥条件下混合均匀，压片.在Bruker Vector 22型傅里叶红外光谱仪上测定其傅里叶红外光谱，扫描范围为400 ～4 000 cm－1.

1.3.413C NMR的测定

以二甲基亚砜(DMSO)作溶剂和内标，利用Bruker AV400型核磁共振波谱仪，测定苯－乙醇木质素、丙酮木质素的13C NMR.采用化学位移δ=39.5时的甲基峰作为内标，在100.62 MHz处进行测定，扫描次数为2.3×104次.

1.3.51H NMR的测定

分别取100 mg苯－乙醇木质素和丙酮木质素，溶解于2 mL吡啶－乙酸酐(体积比为1∶1)溶液中，静置12 h.滴加乙醚，溶液中沉淀出木质素.利用乙醚反复洗涤该木质素，至无吡啶气味，得到乙酰化的苯－乙醇木质素和丙酮木质素.

以氘代甲烷(CDCl3)作溶剂，四甲基硅烷(TMS)作内标，利用Bruker AV400型核磁共振波谱仪，测定乙酰化后的苯－乙醇木质素、丙酮木质素的1H NMR.

2 结果与讨论

2.1 木质素的得率分析

木质素得率取3组平行试验的平均值.粗提的木质素得率相差不大，H2SO4粗木质素和H3PO4粗木质素的质量均约为原黑液质量的22%.考虑到H2SO4的市场价格比较低，故制备H2SO4粗木质素的经济性较好.后续分析中如未加说明，粗木质素均指H2SO4粗木质素.

对H2SO4粗木质素分别采用苯－乙醇和丙酮抽提.采用苯－乙醇抽提所得的苯－乙醇木质素得率(占原黑液质量的18.43%)较利用丙酮纯化得到的丙酮木质素得率(占原黑液质量的14.59%)高.造成此现象的主要原因是，本试验中所用的丙酮溶剂法无法完全回收固形物.需要指出的是，由于本试验中采用的黑液是经过浓缩的，故木质素的得率较文献［7－8］中高.

2.2 紫外光谱结果分析

配制一组不同浓度的木质素钠盐溶液作为对照品溶液，在木质素的特征吸收波长280 nm处分别测出各浓度样品对应的吸光度A，作出标准曲线.所得标准曲线的回归方程为

式中，X表示溶液的浓度，mg/L;Y表示溶液的吸光度值.该方程的相关系数R2=0.998 4，表示方程线性关系良好.

取5.26 g黑液，稀释后在280 nm处测其吸光度值为0.53，代入标准曲线的回归方程.计算得到黑液中木质素质量的平均值为1.18 g，即黑液中木质素的质量分数为22.44%.

采用H2SO4沉淀以及苯－乙醇抽提获得的苯－乙醇木质素相对黑液的总得率为18.43%，通过计算可得苯－乙醇木质素相对于黑液中总木质素的总得率为82.13%.由此可见，采用H2SO4沉淀以及苯－乙醇抽提的方法，能将黑液中的大部分木质素提取出来.

2.3 元素分析

苯－乙醇木质素、丙酮木质素、苯－乙醇杂质和丙酮杂质的元素组成见表1.苯－乙醇木质素、丙酮木质素中w(C)均较高，分别为67.98%和62.35%，w(N)和w(S)均较低;同时，丙酮木质素中w(O)较苯－乙醇木质素略高，这可能是由于前者还残留有一些聚糖类.与之相对应的2种杂质中，C含量较少，O含量较多，这是由于杂质中糖类(多为五碳糖类化合物)较多所造成的［2］.由此可见，纯化过程能有效除去粗木质素中的部分糖类杂质.

表1 木质素及其杂质的元素分析 %

2.4 红外光谱结果分析

表2列出了木质素分子结构中特征基团对应的红外吸收光谱特征峰归属［1，4］.图1为粗木质素、苯－乙醇木质素、丙酮木质素、苯－乙醇杂质和丙酮杂质的红外光谱谱图.图1中曲线a上峰的序号对应于表2中的序号.从谱图中可以看出，3种木质素在3 425 cm－1附近均存在强的羟基吸收峰，2 920 cm－1处存在明显的甲基和次甲基拉伸振动峰，1 470～1 460 cm－1处则存在甲基和亚甲基的弯曲振动峰.1 715～1 705 cm－1处的伸缩振动吸收峰表明了非共轭羰基或酯键中羰基的存在.1 605～1 595 cm－1，1510～1505 cm－1，1 430 ～1 425 cm－1处存在较强的芳香环骨架振动吸收峰.除了1270 cm－1处存在强的愈创木基结构单元吸收信号外，1120 cm－1附近也出现了较强的紫丁香基结构单元的吸收峰，表现出典型的阔叶类植物中木质素的化学结构特征［1，9］.

表2 木质素的红外吸收光谱带

图1 黑液木质素及其杂质的红外光谱

由图1可知，粗木质素(图1中曲线 a)在3 425 cm－1处的吸收峰较2种纯化木质素(图1中曲线b，c)的吸收峰强，表明其存在更多的羟基.粗木质素在1 085 cm－1(仲醇、仲醚的C—O弯曲振动)和1 030 cm－1(伯醇、伯醚的C—O弯曲振动)处的吸收峰也较纯化木质素强.相对于木质素而言，半纤维素和纤维素中含有更丰富的伯醇和仲醇［2，10］.粗木质素中的这些特征信号表明，采用酸沉淀法制备木质素的同时会沉淀出黑液中的部分半纤维素等糖类.而纯化后的木质素在这些区域内的峰相对较弱，说明纯化过程能很好地除掉粗木质素中的部分糖类杂质.对比苯－乙醇木质素(图1中曲线b)与丙酮木质素(图1中曲线c)，除了前者在2 920 cm－1处的甲基和亚甲基拉伸振动吸收峰稍强外，其余处吸收峰的强度相差不大，说明采用这2种溶剂纯化对木质素结构影响较小.

对比苯－乙醇杂质、丙酮杂质(图1中曲线d，e)与苯－乙醇木质素、丙酮木质素(图1中曲线b，c)的红外谱图可以发现，杂质表现出明显的半纤维素和纤维素特征［3］.杂质在1 550～1 100 cm－1处的吸收峰强度较低，表明苯环含量较少;3 425 cm－1处的吸收峰强度较高，表明存在更多的羟基;1 100～1 000 cm－1之间也呈现出较强的吸收峰，表明存在较多的伯醇、伯醚和仲醇、仲醚［2－3］.杂质与木质素的红外光谱分析结果进一步说明纯化过程能有效去除部分糖类杂质.

2.5 13C NMR结果分析

近年来，13C NMR分析广泛应用于天然有机化合物的分子结构测定方面.文献［1，4，11］均详细给出了不同木质素中13C对应的化学位移.

图2为苯－乙醇木质素和丙酮木质素的13C NMR谱图.表3给出了苯－乙醇木质素、丙酮木质素中每个C9单元上主要官能团化学位移δ的分布.根据表中的积分区间，对2种木质素的13C NMR谱图在各范围区间的信号进行积分.将芳香环区域的积分值定为6.12，则积分所得的各基团数均基于一个芳香环，根据积分数值便可确定相应的C9单元结构中各基团的分布情况.对于苯－乙醇木质素，每个C9单元中含有1.43个甲氧基，结合元素分析，可估算出相应的木质素苯丙烷结构单元经验式为C9H12.61O1.1(OCH3)1.43.同样地，对于丙酮木质素，每个C9单元中含有1.38个甲氧基，由此便可估算出相应的木质素苯丙烷结构单元的标准经验式为(OCH3)1.38.

图2 黑液木质素的13C NMR谱图

表3 黑液木质素中的主要官能团分布

从表3中的数据可以看出，对于苯－乙醇木质素和丙酮木质素，每个C9单元环中分别含有1.43和1.38个甲氧基.这一数值明显高于文献［1］中的结果，可能是制浆过程及木质素制备过程不同所致.对于羰基，二者含量较少，均为0.03个左右，香兰素中分别含有0.02和0.01个醛羰基.苯－乙醇木质素和丙酮木质素中的羧基数分别为0.18和0.21，这与文献［1］的结果近似.黑液木质素中的羧基较磨木木质素［12］高，这是由于制浆过程和酸沉淀过程中侧链上部分醇羟基以及羰基的氧化所导致的［4］.

表4为黑液木质素部分连接键在每个C9单元环上的分布［11，13－14］.数据表明，C9 单体之间以β—O—4连接键为主，但与磨木木质素中β—O—4连接键分布频率(约每个C9单元上含有0.40～0.50个)相比，苯－乙醇木质素和丙酮木质素中的β—O—4连接键均较少，每个C9单元上分别为0.28和0.27个.这是由于β—O—4键不稳定，容易在制浆过程中水解［15－17］.此外，苯－乙醇木质素和丙酮木质素中的5—5键和β—β键含量较文献［11］中的磨木木质素高，其原因可能是木质素在水解的同时易发生缩合反应［15－17］.值得注意的是，在5—5键的信号区间内，可能有较多的芳香环信号与其重叠，导致5—5键的分布频率偏大.

表4 黑液木质中素的部分连接键分布

2.6 1H NMR结果分析

图3为纯化后的2种木质素的1H NMR谱图.表5为苯－乙醇木质素和丙酮木质素中每个C9单元上的质子数分布［12－13，18］.

图3 黑液木质素的1H NMR谱图

表5 黑液木质素中的质子数分布

由图3可知，苯－乙醇木质素和丙酮木质素在化学位移δ=6.6处均有较明显的信号，表明其含有紫丁香单元.这与红外谱图的结果相符，从而验证了黑液木质素具有愈创木－紫丁香结构.在1H NMR谱图中，当δ=2.60～2.16和2.16～1.40时峰面积较大，表明其含有较多的羟基.文献［12］指出，杨木磨木木质素中每个C9单元所含的酚羟基和脂肪族羟基分别为0.49和1.02个，较本文中的2种纯化木质素少.黑液木质素中羟基较多这一现象，是由制浆过程和酸沉淀过程中β—O—4键等连接键水解所造成的，此结果与13C NMR谱中β—O—4键较少的结论相吻合［16］.

从谱图中还可以看出，纯化后的木质素中仍存在少量的碳氢化合物杂质.

3 结语

采用H2SO4沉淀及苯－乙醇抽提法，可以从造纸黑液中制备出较多的木质素.对H2SO4沉淀出的粗木质素，采用2种溶剂(苯－乙醇与丙酮)抽提得到的木质素化学结构相差不大，其苯丙烷结构单元的标准经验式分别为 C9H12.61O1.1(OCH3)1.43和 C9H13.33O2.10(OCH3)1.38.黑液木质素中β—O—4键较磨木木质素少，而5—5键和β—β键则较多.此外，黑液木质素的酚羟基、脂肪羟基和羧基数量也较多.黑液木质素表现出与磨木木质素不同的结构特征，富含多种特征基团，原材料产量十分丰富，故应用前景广阔.

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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(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，ruixiao@seu.edu.cn.

江苏省高校自然科学基金资助项目(12KJB480005)、中国科学院可再生能源与天然气水合物重点试验室开放基金资助项目.

沈德魁，胡珺，肖睿，等.造纸黑液中木质素的分离与结构表征［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(1):120－124.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.023］