CN116815527A - 一种秸秆预处理方法 - Google Patents
一种秸秆预处理方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116815527A CN116815527A CN202310031641.2A CN202310031641A CN116815527A CN 116815527 A CN116815527 A CN 116815527A CN 202310031641 A CN202310031641 A CN 202310031641A CN 116815527 A CN116815527 A CN 116815527A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ahp
- solution
- straw
- pretreatment
- sheet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010902 straw Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 20
- 241000209140 Triticum Species 0.000 claims abstract description 16
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 claims abstract description 16
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 38
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 9
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000007071 enzymatic hydrolysis Effects 0.000 claims description 8
- 238000006047 enzymatic hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 7
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 6
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 6
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 6
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 6
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 6
- 108010059892 Cellulase Proteins 0.000 claims description 5
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229940106157 cellulase Drugs 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 2-(3-bromo-2-fluorophenyl)acetic acid Chemical compound OC(=O)CC1=CC=CC(Br)=C1F PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WDMUXYQIMRDWRC-UHFFFAOYSA-N 2-hydroxy-3,4-dinitrobenzoic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=C([N+]([O-])=O)C([N+]([O-])=O)=C1O WDMUXYQIMRDWRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004098 Tetracycline Substances 0.000 claims description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 3
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 3
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 claims description 3
- IDGUHHHQCWSQLU-UHFFFAOYSA-N ethanol;hydrate Chemical compound O.CCO IDGUHHHQCWSQLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 3
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 3
- 239000001509 sodium citrate Substances 0.000 claims description 3
- NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K sodium citrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 229960002180 tetracycline Drugs 0.000 claims description 3
- 229930101283 tetracycline Natural products 0.000 claims description 3
- 235000019364 tetracycline Nutrition 0.000 claims description 3
- 150000003522 tetracyclines Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 claims description 2
- 239000012785 packaging film Substances 0.000 claims description 2
- 229920006280 packaging film Polymers 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract 1
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 18
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 description 15
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 12
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 12
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 12
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 9
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 9
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 230000001461 cytolytic effect Effects 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- TUJKJAMUKRIRHC-UHFFFAOYSA-N hydroxyl Chemical compound [OH] TUJKJAMUKRIRHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- OUUQCZGPVNCOIJ-UHFFFAOYSA-M Superoxide Chemical compound [O-][O] OUUQCZGPVNCOIJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N anthraquinone Natural products CCC(=O)c1c(O)c2C(=O)C3C(C=CC=C3O)C(=O)c2cc1CC(=O)OC PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000004056 anthraquinones Chemical class 0.000 description 2
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 2
- -1 hydroperoxide anions Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 2
- 238000004448 titration Methods 0.000 description 2
- 229920002261 Corn starch Polymers 0.000 description 1
- 238000001157 Fourier transform infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000008120 corn starch Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000643 oven drying Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005063 solubilization Methods 0.000 description 1
- 230000007928 solubilization Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/28—Per-compounds
- C25B1/30—Peroxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/34—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving hydrolase
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/50—Processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
- C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
- C25B11/031—Porous electrodes
- C25B11/032—Gas diffusion electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/054—Electrodes comprising electrocatalysts supported on a carrier
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
- C25B11/069—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of at least one single element and at least one compound; consisting of two or more compounds
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C5/00—Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/44—Sample treatment involving radiation, e.g. heat
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2333/00—Assays involving biological materials from specific organisms or of a specific nature
- G01N2333/90—Enzymes; Proenzymes
- G01N2333/914—Hydrolases (3)
- G01N2333/924—Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2)
- G01N2333/942—Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2) acting on beta-1, 4-glucosidic bonds, e.g. cellulase
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2400/00—Assays, e.g. immunoassays or enzyme assays, involving carbohydrates
- G01N2400/10—Polysaccharides, i.e. having more than five saccharide radicals attached to each other by glycosidic linkages; Derivatives thereof, e.g. ethers, esters
- G01N2400/12—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar
- G01N2400/24—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar beta-D-Glucans, i.e. having beta 1,n (n=3,4,6) linkages between saccharide units, e.g. xanthan
- G01N2400/26—Cellulose
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
本发明属于农作物资源再利用的领域，具体的，本发明涉及一种秸秆预处理方法。本发明构建由催化剂层、扩散层和集流体组成的气体扩散电极(GDE)代替传统的平面电极，制备获得了碱性H2O2溶液(AHP溶液)，本发明的方法用于小麦秸秆的预处理，具有效率高、速度快的优势，为小麦秸秆的处理提供了新的技术思路。
Description
技术领域
本发明属于农作物资源再利用的领域，具体的，本发明涉及一种秸秆预处理方法。
背景技术
近年来，将木质纤维素转化为第二代生物乙醇引起了人们的极大关注，部分原因是木质纤维素的低成本和丰富的可利用性是一种可转化为生物乙醇的糖的诱人来源。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，它们的结合生成了耐生物降解的致密结构。与玉米淀粉或其他富糖材料转化为生物乙醇相比，木质纤维素转化为生物乙醇更具挑战性，因为其致密的结构以及半纤维素和木质素的存在使得包埋的纤维素对纤维素分解酶的可及性极其困难。为了提高纤维素的酶促效率，人们开发了各种预处理方法来破坏木质纤维素的致密结构，去除半纤维素和木质素，从而使包埋的纤维素暴露在酶中。
在已开发的众多预处理方法中，碱性预处理因其能够通过打乱木质纤维素基质，高效去除木质素，降低木质纤维素的顽固性而受到特别关注。有研究表明，将碱与H2O2(碱性过氧化氢，AHP)结合，可进一步增强碱性预处理的预处理效果。在碱性条件下，H2O2很容易解离形成氢过氧化物阴离子(HO2 -)、羟基自由基(HO-)和超氧阴离子自由基(O2 -)，已知它们是强氧化剂，可以裂解木质纤维素的单元间键，导致木质素和半纤维素的增溶。目前，AHP预处理的主要缺点之一是H2O2的高成本，目前通过多步蒽醌氧化工艺在工业规模上生产H2O2，这需要昂贵的Pd催化剂进行氢化，并产生大量的有机副产物废物。此外，H2O2的不稳定性和氧化性对其运输、储存和处理提出了很大的安全问题。最近，通过电催化还原O2通过2e-途径现场生产H2O2，因为它有效地解决了与蒽醌过程相关的问题而引起了极大的关注。然而，在采用常规平面电极的电化学系统中，由于O2在电解质溶液中的溶解度低，导致H2O2的生成效率非常低。
发明内容
用气体扩散电极(GDE)代替传统的平面电极，可以在阴极原位生成H2O2，而不需要O2溶解在电解质溶液中，是一种有前景的技术手段。由此，本发明提供了一种技术方案如下：
一种秸秆预处理方法，所述方法包括如下步骤：
(1)原料前处理：小麦秸秆原料，切成3～4cm长，用水彻底洗涤，在105℃下烘烤24h，然后磨成粒径小于0.18mm的颗粒，处理后的秸秆产物称为U-RS；炭黑在500℃的空气中退火45分钟，引入含氧基团生成H2O2。
(2)GDE的制备：所述GDE由催化剂层、扩散层和集流体组成。
(5)电生成AHP溶液。为AHP溶液的发生而建造了一个由阳极室(160mL)、阴极室(160mL)和气室(40mL)组成的三室电化学池。
(6)秸秆的预处理：将前处理过的秸秆与电生成的碱性H2O2溶液混合处理，然后烘干过夜，产物称为AHP-RS。
本发明的一个技术方案中，还包括对前处理的秸秆或预处理的秸秆进行酶解分析。
本发明的一个技术方案中，所述酶解为使用纤维酶处理。
在本发明的一个方案中，取乙炔黑碳粉400mg于50mL烧杯中，用塑封膜密封后在超声波清洗器内震荡10min。再预先取200mg硝酸铵作为造孔剂并加入1.6mL乙醇水(乙醇:水＝1:1),均匀混合。向上述混合物中添加PTFE乳液600mg作为粘结剂和疏水剂，摇匀混合溶液直至溶液呈现均匀悬浊液。用滴管吸取溶液并均匀的浇注在超声后的乙炔黑碳粉上，用玻璃棒将此时的碳粉擀成厚度为1mm左右的片状薄片，然后反复碾压，以保证电极孔结构的均匀性。薄片最终形成0.30mm厚的薄膜并存放在塑封袋中。装有碳薄膜湿片的塑封袋于冰箱内0℃～4℃存放，避免电极薄片干裂，最终得到的样品为扩散层。
在本发明的一个方案中，在1.6mL乙醇/水(乙醇:水＝1:1)溶液中加入400mg预处理炭黑和400mg PTFE悬浮液(60wt％)用于制备催化剂层，用超声波处理10分钟，用玻璃棒将此时的碳粉擀成厚度为1mm左右的片状薄片，以保证电极孔结构的均匀性。薄片最终形成0.25mm厚的薄膜并存放在塑封袋中。然后其反复碾压，最终形成0.20mm厚的薄膜并存放在塑封袋中标号为催化层。装有碳薄膜湿片的塑封袋于冰箱内0℃～4℃存放，避免电极薄片干裂，最终得到的样品为催化剂层
在本发明的一个方案中，将5mm厚泡沫镍均裁剪成2.0cm×2.0cm和5.0cm×5.0cm的方形大小，按顺序在丙酮、离子水、0.1mol/L的稀盐酸、去离子水中进行超声与浸泡，最后洗至中性，并在干燥箱中60℃烘干24小时，去除水分，最后干燥的泡沫镍作为集流体。将催化剂层放置在集流体的一侧，扩散层放置在集流体的另一侧，在12MPa压力下压制2min，制备了夹层结构的GDE。
在本发明的一个方案中，采用Ru/Ir/TiO2电极作为尺寸稳定阳极(DSA)，在阳极室和阴极室之间放置Nafion阳离子交换膜，在阴极室和气体室之间放置几何面积为24cm2(3cm×8cm)的GDE。将注入阳极室的140mL NaOH(5wt％)溶液作为阳极溶液，将注入阴极室的140mL NaOH(0.5wt％)溶液作为阴极溶液，将O2注入气室并扩散到扩散层，然后扩散到催化剂层以生成AHP(O2+H2O+2e-→HO2 -+OH-)。氧还原电流为1A，每20分钟抽出1mL阴极液进行H2O2分析。为了防止氧还原过程中过热，阳极和阴极通过冷凝器连续循环。
在本发明的一个方案中，秸秆预处理是在一个磁力搅拌的夹套烧杯(100mL)中进行，该烧杯含有5克秸秆和50mL电生成的H2O2浓度为1.0wt％的AHP溶液。在55℃下预处理2h，悬浮液离心，洗涤，在105℃烘干过夜，最后得到的样品用AHP-RS表示。
本发明的一个技术方案中，酶解分析是将含有50mL柠檬酸钠缓冲液(pH4.8)、0.0275克纤维素酶(10000Ug-1)、0.02克四环素和0.5克底物(U-RS或AHP-RS)的悬浮液置于带塞的锥形烧瓶中，在150rpm和50℃下摇动48小时，每24小时取出1mL等分进行还原糖分析。还原糖浓度采用二硝基水杨酸(DNS)法测定。
本发明的一个技术方案中，电生成H2O2的浓度用KMnO4滴定法测定。根据Eq计算产生H2O2的电流效率(η)。采用Van Soest法测定了麦秸的组成。采用扫描电镜(SEM，JEOL JSM-5510LV)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR，Bruker Alpha)、比表面积和孔隙度分析仪(Micromeritics ASAP 2460)和X射线衍射仪(XRD，Bruker D8 Advance)，对麦秸的结构变化进行了表征。基于峰值强度法计算了麦秸的结晶度指数。
有益效果
本发明利用自制的GDE在电化学池中合成了AHP溶液，并用于小麦秸秆的预处理，具有效率高、速度快的优势，为小麦秸秆的预处理提供了新的技术思路。
附图说明
图1：本发明制备的电解H2O2系统原理图。
图2：(a)U-RS的SEM图像，(b)AHP-RS的SEM图像。
图3：U-RS和AHP-RS的XRD图谱。
图4：U-RS和AHP-RS的FT-IR光谱。
图5：酶水解后U-RS和AHP-RS还原糖浓度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，各实施例及试验例中所用的设备和试剂如无特殊说明，均可从商业途径得到，除另有说明外，本发明采用的试剂均为分析级试剂。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
1.1材料前处理
小麦秸秆原料，切成3～4cm长，用水彻底洗涤，在105℃下烘烤24h，然后磨成粒径小于0.18mm的颗粒，所得产物称为U-RS。购买的炭黑(XC-72)在500℃的空气中退火45分钟，引入含氧基团生成H2O2。
1.2GDE的制备
制备了一种由催化剂层、扩散层和集流体组成的GDE。取乙炔黑碳粉400mg于50mL烧杯中，用塑封膜密封后在超声波清洗器内震荡10min。再预先取200mg硝酸铵作为造孔剂并加入1.6mL乙醇水(乙醇:水＝1:1),均匀混合。向上述混合物中添加PTFE乳液600mg作为粘结剂和疏水剂，摇匀混合溶液直至溶液呈现均匀悬浊液。用滴管吸取溶液并均匀的浇注在超声后的乙炔黑碳粉上，用玻璃棒将此时的碳粉擀成厚度为1mm左右的片状薄片，然后反复碾压，以保证电极孔结构的均匀性。薄片最终形成0.30mm厚的薄膜并存放在塑封袋中。装有碳薄膜湿片的塑封袋于冰箱内0℃～4℃存放，避免电极薄片干裂，最终得到的样品为扩散层。
在1.6mL乙醇/水(乙醇:水＝1:1)溶液中加入400mg预处理炭黑和400mg PTFE悬浮液(60wt％)用于制备催化剂层，用超声波处理10分钟，用玻璃棒将此时的碳粉擀成厚度为1mm左右的片状薄片，以保证电极孔结构的均匀性。薄片最终形成0.25mm厚的薄膜并存放在塑封袋中。然后其反复碾压，最终形成0.20mm厚的薄膜并存放在塑封袋中标号为催化层。装有碳薄膜湿片的塑封袋于冰箱内0℃～4℃存放，避免电极薄片干裂，最终得到的样品为催化剂层。
将5mm厚泡沫镍均裁剪成2.0cm×2.0cm和5.0cm×5.0cm的方形大小，按顺序在丙酮、离子水、0.1mol/L的稀盐酸、去离子水中进行超声与浸泡，最后洗至中性，并在干燥箱中60℃烘干24小时，去除水分，最后干燥的泡沫镍作为集流体。
将催化剂层放置在集流体的一侧，扩散层放置在集流体的另一侧，在12MPa压力下压制2min，制备了夹层结构的GDE。
1.3电生成AHP溶液
为AHP溶液的发生本发明建造了一个由阳极室(160mL)、阴极室(160mL)和气室(40mL)组成的三室电化学池。采用Ru/Ir/TiO2电极作为尺寸稳定阳极(DSA)，在阳极室和阴极室之间放置Nafion阳离子交换膜，在阴极室和气体室之间放置几何面积为24cm2(3cm×8cm)的GDE。将注入阳极室的140mL NaO H(5wt％)溶液作为阳极溶液，将注入阴极室的140mL NaOH(0.5wt％)溶液作为阴极溶液，将O2注入气室并扩散到扩散层，然后扩散到催化剂层以生成AHP(O2+H2O+2e-→HO2 -+OH-)。氧还原电流为1A，每20分钟抽出1mL阴极液进行H2O2分析。为了防止氧还原过程中过热，阳极和阴极通过冷凝器连续循环。
1.4麦秸的预处理
麦秸预处理在一个磁力搅拌的夹套烧杯(100mL)中进行，该烧杯含有5克麦秸和50mL电生成的H2O2浓度为1.0wt％的AHP溶液。在55℃下预处理2h，悬浮液离心，洗涤，在105℃烘干过夜，最后得到的产物用AHP-RS表示。
1.5酶水解
将含有50mL柠檬酸钠缓冲液(pH4.8)、0.0275克纤维素酶(10000Ug-1)、0.02克四环素和0.5克底物(U-RS或AHP-RS)的悬浮液置于带塞的锥形烧瓶中，在150rpm和50℃下摇动48小时，每24小时取出1mL等分进行还原糖分析。
1.6分析方法与结果
本发明中电生成H2O2的浓度用KMnO4滴定法测定。根据Eq计算产生H2O2的电流效率(η)。本发明还采用Van Soest法测定了麦秸的组成。采用扫描电镜(SEM，JEOL JSM-5510LV)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR，Bruker Alpha)、比表面积和孔隙度分析仪(Micromeritics ASAP 2460)和X射线衍射仪(XRD，Bruker D8 Advance)，对麦秸的结构变化进行了表征。基于峰值强度法计算了麦秸的结晶度指数。还原糖浓度采用二硝基水杨酸(DNS)法测定。
1.6.1秸秆样本组成
表1秸秆样本的组成、表面积和孔容积
AHP预处理前后秸秆样本的成分和质构变化见表1。经过AHP-RS预处理后固体得率为49.8％。从AHP-RS的组成，可以推导出AHP预处理去除93.78％的初始木质素，81.64％的初始半纤维素，只有2.48％的初始纤维素被去除，这是AHP预处理的特点，并且由于半纤维素和木质素通过阻止纤维素分解酶和非生产性结合酶的进入而阻碍纤维素的酶水解。此外，脱除半纤维素和木质素可以扩大秸秆的表面积和孔隙率，增加秸秆与酶的界面相互作用，增强酶对纤维素的可及性，从而提高糖化率。从表1中可以看出，AHP-RS的比表面积和孔容积都有很大的增大，这与半纤维素和木质素的去除有很好的相关性。预处理的目的是去除/分离半纤维素和木质素，并增加其孔隙率，使纤维素分解酶能够更有效地发挥作用。由此可见，相关结果表明，该AHP预处理方法能够较好地实现预处理目标。
1.6.2秸秆样本形貌
用扫描电镜对AHP-RS和U-RS进行了形貌表征。参见图2所示，结果表明，U-RS具有刚性和有序的结构，表面相对光滑，这极大地阻碍了酶对纤维素的可及性；而AHP-RS则表现出粗糙的结构，含有大量破碎的纤维，充满裂缝和孔隙，这是由于木质素和半纤维素的大量去除造成的。已知在碱性介质中H2O2可解离生成氢过氧化物阴离子(HOO-)在碱性介质中HOO-可与H2O2反应生成羟基自由基(OH·)和超氧阴离子自由基(O2 -·)(H2O2+HOO-→OH·+O2 -·+H2O)。这些高活性自由基可以降解木质素和半纤维素，产生裂纹和孔隙，从而增加AHP-RS样品的孔隙率和表面积，这可以允许酶更好地进入AHP-RS并提高糖化率。
1.6.3秸秆样品的XRD和FT-IR分析
参见图3，用XRD表征了U-RS和AHP-RS的结晶度指数。U-RS和AHP-RS的结晶度指数分别为38.5％和56.1％。可以推断，在AHP-RS上观察到的结晶度指数的增加主要是由于木质素和半纤维素的去除。参见图4，采用FT-IR表征方法研究了AHP预处理前后稻草中化学成分的变化。峰值中心约为1740cm-1与半纤维素中乙酰基的烷基酯有关，在AHP-RS上观察到的强度下降与上述AHP-RS中半纤维素含量低得多的成分分析结果一致。1640cm-1左右的峰值可归因于木质素芳香环的C＝O伸展，在AHP-RS上观察到的强度大幅下降可归因于AHP-RS样品中木质素的大量去除。在顶端1513cm-1处,可归属于木质素芳香环伸展和振动,在AHP-RS光谱上不能观察到，证实了AHP-RS中木质素含量极低。
1.6.4酶水解对预处理效果评价
采用糖化试验评价预处理效果。参见图5，酶解48小时后，AHP-RS的还原糖浓度比U-RS提高了3.2倍(5.81vs1.81g/L)。由此可见，本发明的AHP-RS法具有较高的酶解效率，主要是由于以下两个特点：(1)AHP预处理后，半纤维素和木质素被大量去除，这些半纤维素和木质素会阻碍纤维素分解酶的进入，并不利于纤维素分解酶的结合；(2)AHP-RS较高的比表面积和孔隙率可以提高纤维素对酶的可及性。电生成AHP预处理稻草样品的还原糖释放量也高于其他预处理方法，这也说明了本发明AHP预处理的高效性。
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (10)
1.一种秸秆预处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)原料前处理：将秸秆原料制备为小颗粒，产物称为U-RS；在炭黑引入含氧基团用于生成H2O2；
(2)气体扩散电极(GDE)的制备：所述GDE由催化剂层、扩散层和集流体组成；
(3)电生成碱性过氧化氢(AHP)溶液：为AHP溶液的发生而建造一个由阳极室、阴极室和气室组成的三室电化学池；
(4)秸秆的预处理：将前处理过的秸秆与电生成的碱性H2O2溶液混合处理，然后烘干过夜，产物称为AHP-RS。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中原料前处理为：将小麦秸秆原料，切成3～4cm长，用水彻底洗涤，在105℃下烘烤24h，然后磨成粒径小于0.18mm的颗粒，处理后的秸秆产物称为U-RS；炭黑在500℃的空气中退火45min，引入含氧基团用于生成H2O2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中取乙炔黑碳粉400mg于50mL烧杯中，用塑封膜密封后在超声波清洗器内震荡10min。再预先取200mg硝酸铵作为造孔剂并加入1.6mL乙醇水(乙醇:水＝1:1),均匀混合。向上述混合物中添加PTFE乳液600mg作为粘结剂和疏水剂，摇匀混合溶液直至溶液呈现均匀悬浊液。用滴管吸取溶液并均匀的浇注在超声后的乙炔黑碳粉上，用玻璃棒将此时的碳粉擀成厚度为1mm左右的片状薄片，然后反复碾压，以保证电极孔结构的均匀性。薄片最终形成0.30mm厚的薄膜并存放在塑封袋中。装有碳薄膜湿片的塑封袋于冰箱内0℃～4℃存放，避免电极薄片干裂，最终得到的样品为扩散层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中在1.6mL乙醇/水(乙醇:水＝1:1)溶液中加入400mg预处理炭黑和400mg PTFE悬浮液(60wt％)用于制备催化剂层，用超声波处理10分钟，用玻璃棒将此时的碳粉擀成厚度为1mm左右的片状薄片，以保证电极孔结构的均匀性。薄片最终形成0.25mm厚的薄膜并存放在塑封袋中。然后其反复碾压，最终形成0.20mm厚的薄膜并存放在塑封袋中标号为催化层。装有碳薄膜湿片的塑封袋于冰箱内0℃～4℃存放，避免电极薄片干裂，最终得到的产物为催化剂层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中将5mm厚泡沫镍均裁剪成2.0cm×2.0cm和5.0cm×5.0cm的方形大小，按顺序在丙酮、离子水、0.1mol/L的稀盐酸、去离子水中进行超声与浸泡，最后洗至中性，并在干燥箱中60℃烘干24小时，去除水分，最后干燥的泡沫镍作为集流体。将催化剂层放置在集流体的一侧，扩散层放置在集流体的另一侧，在12MPa压力下压制2min，制备成为夹层结构的GDE。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用Ru/Ir/TiO2电极作为尺寸稳定阳极(DSA)，在阳极室和阴极室之间放置Nafion阳离子交换膜，在阴极室和气体室之间放置几何面积为24cm2的GDE，将注入阳极室的140mL 5wt％NaOH溶液作为阳极溶液，将注入阴极室的140mL 0.5wt％NaOH溶液作为阴极溶液，将O2注入气室并扩散到扩散层，然后扩散到催化剂层以生成AHP。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中秸秆预处理是在一个磁力搅拌的夹套烧杯中进行，该烧杯含有5g秸秆和50mL电生成的H2O2浓度为1.0wt％的AHP溶液，在55℃下预处理2h，悬浮液离心，洗涤，在105℃烘干过夜，最后得到的产物用AHP-RS表示。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对前处理产物U-RS、AHP-RS进行酶解分析评价。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述酶解采用纤维素酶进行酶解。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述酶解分析为将含有50mL柠檬酸钠缓冲液pH4.8、10000Ug-1纤维素酶0.0275克、0.02克四环素和0.5克U-RS或AHP-RS底物的悬浮液置于带塞的锥形烧瓶中，在150rpm和50℃下摇动48小时，每24小时取出1mL等分进行还原糖分析，还原糖浓度采用二硝基水杨酸(DNS)法测定。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310031641.2A CN116815527A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 一种秸秆预处理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310031641.2A CN116815527A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 一种秸秆预处理方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116815527A true CN116815527A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88122813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310031641.2A Pending CN116815527A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 一种秸秆预处理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116815527A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1088632A (zh) * | 1992-12-04 | 1994-06-29 | 凯梅蒂克斯国际公司 | 利用双极式离子交换膜电解生产过氧化氢的方法 |
| CN101748422A (zh) * | 2008-12-19 | 2010-06-23 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种原位制备碱性过氧化氢的方法 |
| FR3081682A1 (fr) * | 2018-06-05 | 2019-12-06 | Lesaffre Et Compagnie | Procede d'amelioration de la degradation de la paille de ble |
| CN113774416A (zh) * | 2021-11-15 | 2021-12-10 | 广东工业大学 | 一种气体扩散阴极及原位产过氧化氢的电化学反应器 |
| CN115558943A (zh) * | 2022-10-31 | 2023-01-03 | 苏州清氧环境科技有限公司 | 一种过氧化氢发生装置 |
-
2023
- 2023-01-10 CN CN202310031641.2A patent/CN116815527A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1088632A (zh) * | 1992-12-04 | 1994-06-29 | 凯梅蒂克斯国际公司 | 利用双极式离子交换膜电解生产过氧化氢的方法 |
| CN101748422A (zh) * | 2008-12-19 | 2010-06-23 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种原位制备碱性过氧化氢的方法 |
| FR3081682A1 (fr) * | 2018-06-05 | 2019-12-06 | Lesaffre Et Compagnie | Procede d'amelioration de la degradation de la paille de ble |
| CN113774416A (zh) * | 2021-11-15 | 2021-12-10 | 广东工业大学 | 一种气体扩散阴极及原位产过氧化氢的电化学反应器 |
| CN115558943A (zh) * | 2022-10-31 | 2023-01-03 | 苏州清氧环境科技有限公司 | 一种过氧化氢发生装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103189521B (zh) | 含木质纤维素的生物质的酶解糖化处理方法以及由含木质纤维素的生物质制造乙醇的方法 | |
| Ruan et al. | Water hyacinth (Eichhornia crassipes) biomass as a biofuel feedstock by enzymatic hydrolysis | |
| Zhang et al. | Challenges and perspectives of green-like lignocellulose pretreatments selectable for low-cost biofuels and high-value bioproduction | |
| Rajak et al. | An eco-friendly biomass pretreatment strategy utilizing reusable enzyme mimicking nanoparticles for lignin depolymerization and biofuel production | |
| Ingle et al. | Pretreatment of sugarcane bagasse using two different acid-functionalized magnetic nanoparticles: a novel approach for high sugar recovery | |
| CN109767927B (zh) | 一种超级电容器用高性能氮掺杂生物质多孔碳的制备方法 | |
| UA117021C2 (uk) | Спосіб переробки біомаси, що містить целюлозні або лігноцелюлозні матеріали, продукт, який включає попередньо оброблений і оцукрений целюлозний або лігноцелюлозний матеріал, та продукт ферментації | |
| KR101902206B1 (ko) | 바이오매스로부터 표면적이 향상된 실리카를 제조하는 방법 | |
| KR102085232B1 (ko) | 바이오매스로부터 메조 다공성 실리카를 제조하는 방법 | |
| Shen et al. | Effect of hydrogen peroxide pretreatment on the enzymatic hydrolysis of cellulose | |
| Monrroy et al. | Kraft pulping of Eucalyptus globulus as a pretreatment for bioethanol production by simultaneous saccharification and fermentation | |
| CN114023980B (zh) | 一种基于糠醛渣的氮掺杂多孔炭材料制备方法及其电催化氧还原性能 | |
| Ferreira et al. | High pressure pre-treatments promote higher rate and degree of enzymatic hydrolysis of cellulose | |
| CN108004767A (zh) | 一种在碳纤维表面制备水热碳层的方法及其应用 | |
| KR20160082019A (ko) | 이온성 액체를 이용한 친환경적 실리카 제조방법 | |
| Wu et al. | Facile and green synthesis of nanocellulose with the assistance of ultraviolet light irradiation for high-performance quasi-solid-state zinc-ion batteries | |
| Meng et al. | Study of depolymerization of cotton cellulose by Pb/PbO2 anode electrochemical catalysis in sulfuric acid solution | |
| JP2007039368A (ja) | 有機酸及びその製造方法 | |
| CN106086084A (zh) | 一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用 | |
| Deng et al. | Electrogenerated alkaline hydrogen peroxide for rice straw pretreatment to enhance enzymatic hydrolysis | |
| CN116815527A (zh) | 一种秸秆预处理方法 | |
| CN110562955B (zh) | 芦苇基碳点、CDs-Cu2O/CuO复合材料及制备方法 | |
| Ji et al. | Electrogenerated alkaline hydrogen peroxide pretreatment of waste wheat straw to enhance enzymatic hydrolysis | |
| JP2009207485A (ja) | 光触媒を使ったバイオマス由来の燃料および／または燃料前駆体の製造方法 | |
| Jabareen et al. | Effective degradation of cellulose by Microwave irradiation in alkaline solution |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |