（制浆造纸工程专业论文）造纸废水中木素的酶催化聚合的研究.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 造纸废水是我国水体污染的主要污染源之一，已成为制约我国造纸 工业发展和水污染治理的难题。本论文提出了酶催化体系中，利用木素 前驱物聚合废水中的难降解木素及其衍生物的方法，先通过木素前驱物 和木素模型物的反应分析该聚合反应的机理和处理脱木素效果，然后应 用于处理废水中木素聚合絮凝的研究中，并取得了理想的处理效果。 本文首先合成了一种酚型的木素模型化合物( 愈创木基丙三醇b 愈 创木基醚) 。采用改良的方法成功地合成了得率和纯度比较好的愈创木基 丙三醇d 愈创木基醚化合物，用乙醇代替三氯甲烷和乙酸乙酯做反应溶 剂，对关键的中间产物4 一( a 一溴代乙酰基) 一愈创木酚的合成方法进行了 改良，使其得率可以稳定的达到8 0 。利用红外光谱、核磁共振谱 ( 1 h n m r ) 分析等手段对其化学结构进行了分析确认。 本论文采用木素化学领域最新技术之一一1 3 c 同位素示踪技术，结 合1 3 c n m r 技术来探讨产物结构及其形成机理。合成木素前驱物一松柏 醇葡萄糖苷【a 1 3 c 】、利用熔点测定、t l c 分离、1 3 c n m r 分析及f t o i r 对产物进行定性分析，并发现在合成中间产物阿魏酸葡萄糖苷过程中， 由于溶剂吡碇的碱性作用，使之与阿魏酸葡萄糖苷形成比较稳定的吡碇 盐结构，并在一定程度上干扰产物鉴定和后续反应。本实验中采用酸性 水洗涤干燥后，多次用乙醚对反应产物进行多次洗涤处理以除去游离的 吡啶可以确保产物的纯度。 本文利用合成出来的愈创木基丙三醇b 愈创木基醚作为木素模型 化合物，在漆酶作用下用木素前驱物松柏醇葡萄糖苷( c o n i f e r i n ) 对其进行 酶催化聚合处理，然后利用核磁共振( 1 3 c n m r ) 和红外光谱( f t - i r ) 凝胶渗透色谱( g p c ) 等分析手段对反应的产物进行了分析。研究发现： 漆酶催化聚合产物有比较高的分子量，证明以p o 4 型结构为代表的木 素片段能在漆酶的催化下与木素前驱物( t o n i f e r i n ) 能继续进行脱氢聚合 反应，生成的聚合物( d e h y d r o g e n a t i o np o l y m e r ；简称d h p ) 的主要结构有 b o 4 结构、苯基香豆满结构和松脂酚结构、松柏醇结构等，还存在少 量的香草醛及a 位带有亚甲基结构的苯丙烷结构，因此木素前驱物松柏 醇葡萄糖苷能与b o 4 型木素模型化合物发生聚合反应，从而可使废水 中难降解木素小分子聚合成木素大分子，从而絮凝沉淀脱除。 研究发现：木素前驱物松柏醇b d 葡萄糖苷处理废水后，废水中木 素的浓度大约下降了10 倍，由原来的0 7 3 9 l 降到o 0 7 8 9 l ，色度大约 摘要 降低了2 7 8 倍，由废水的5 0 0 降到处理后的18 。本研究从机理上验证了 木素前驱物处理造纸废水的可行性，并在实验中取得了一定的效果。 关键词：造纸废水；木素；酶催化；木素碳水化合物复合体；碳13 同 位素示踪； i i 山东轻工业学院硕士学位论文 a bs t r a c t a so n eo ft h em a i np o l l u t i o ns o u r c e so fw a t e r ，p u l p i n ga n dp a p e r m a k i n g e f f l u e n th a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n to fp a p e r m a k i n g i n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，an e wm e t h o dw a sd e v e l o p e d i tw a sc o n f i r m e dt h a t c o n i f e r i nc o u l dp o l y m e r i z ew i t hl i g n i nm o d e lc o m p o u n d c o n i f e r i nc o u l d a l s ou s e dt ot r e a tw a s t e w a t e ro fp a p e rm i l ls u c c e s s f u l l y i nt h i sr e s e a r c hw o r k ，p - o 一4t y p el i g n i nm o d e lc o m p o u n d ( i e g u a i a c y g l y c e r o l p g u a i a e y le t h e r ) w a ss y n t h e s i z e dw i t ha m o d i f i e dm e t h o d t h e s y n t h e s i s m e t h o do fa n i m p o r t a n t i n t e r m e d i a t e ，i e 4 ( a b r o m o a c t y l ) - g u a i a c o l w a s i m p r o v e d p o 一4t y p el i g n i n m o d e l c o m p o u n d ( i e g u a i a c y g l y c e r o l - p - g u a i a c y le t h e r ) y i e l dr e a c h e d8 0 t h e c o m b i n a t i o no fi n f r a r e ds p e c t r a ，1h - n m ra n a l y s i sw a su s e dt oi d e n t i f yt h e c h e m i c a ls t r u c t u r eo ft h ep r o d u c ta n dr e l a t e dp r e c u r s o r s t h i sp a p e ra d o p t e ds t a b l ei s o t o p e ( c ) e n r i c h m e n tt e c h n i q u ea n d c o m b i n i n gw i t hn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( 1 3 c 一) t od i s c o v e rt h es t r u c t u r e o f l i g n i n a n di t s b i o s y n t h e s i sm e c h a n i s m f i r s t ，w es y n t h e s i z e d c o n i f e r i n s - a = 1 3 c 】w h i c ha r el i g n i np r e c u r s o r s ：t h es t r u c t u r ew a s c o n f i r m e d b yi t sm e l t i n gp o i n t ，n m ra n a l y s i sa n df t - i rs p e c t r a i tw a sf o u n dt h a t a c e t y l a t e d g l u c o f e r u l i ca c i da si n t e r m e d i a t ec o u l dr e a c tw i t hp y r i d i n e s o l v e n tt of o r mar e l a t i v es t a b l es a l tb e c a u s eo fa l k a l i n ec h a r a c t e r i s t i co f p y r i d i n e t h el i g n i nm o d e lc o m p o u n do fg u a i a c y l g l y c e r 0 1 一p g u a i a c y le t h e rw a s t r e a t e dw i t hc o n i f e r i nc a t a l y z e db yl a c c a s e t h er e a c t i o np r o d u c t sw e r e a n a l y z e db y1 3 c n m r 。f t - i ra n dg p c t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h e p r o d u c t s s t r u c t u r ew a sa l s oe x p l o r e d i tw a sf o u n dn u m b e ra v e r a g e m o l e c u l a rw e i g h t ( m n ) w a si n c r e a s e df r o m4 2 0t o3 2 0 0 8 6 7 0a n dt h em a i n s t r u c t u r e sw e r ep 0 4 ，c o n i f e r y la l c o h o le t c t h e r ew e r es o m em i n o r s u b s t r u c t u r e ss u c ha sv a n i l l i n ，p h e n y l p r o p a n eu n i t sw i t ha - m e t h y l e n e i t w a sp r o v e dt h a tc o n i f e r i nc o u l dp o l y m e r i z ew i t hl i g n i nm o d e la n db e c o m e m a c r o m o l e c u l ep r o d u c t s a sar e s u l tt h el i g n i nc a nb er e m o v e dt h o u g h p r e c i p i t a t ea n d f l o c c u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ht h ec o n c e n t r a t i o no fl i g n i na n dc h r o m a w e r er e d u c e d s i g n i f i c a n t t h ec o n c e n t r a t i o no fl i g n i n d e c r e a s e df r o m o 7 3 9 lt o0 0 7 8 9 la n dt h ec h r o m af r o m5 0 0t oi8 i l l a b s t ra c t k e y w o r d s ：p u l p i n gw a s t e w a t e r ；l i g n i n ；e n z y m a t i cc a t a l y s i s ；l c c ； c a r b o n - 13i s o t o p i ct r a c e r ； i v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成 果。文中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未 包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用 于其他学位申请的论文或成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山 东轻工业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、 借阅以及申请专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直 接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 赵蔓日期：一建竺坠年厶月l 日 导师签名： 山东轻工业学院硕士学位论文 1 1 制浆造纸废水治理概况 第1 章绪论 目前我国造纸行业发展步入快速增长期，印刷、包装业平均每年以1 4 的速 度递增，纸品需求也快速的增长，现在已经是世界上仅次于美国的第二大纸品消 费国，各类纸和纸制品的消费量占世界纸消费总量的1 4 以上，纸业也已成为我 国经济发展的一个热门行业。我国造纸工业在2 0 0 8 年之前无论生产还是消费均仍 将保持两位数的增长。但是造纸工业的发展机遇与其所遇到的各种挑战并存，尤 其是环保方面的压力。我国制浆造纸污染的严重性几乎是家喻户晓了，多年来造 纸厂的污染治理一直是令人十分头痛的难题，它不仅投资大，治污技术也有很多 不成功的例子。我国造纸工业废水排放量大，对环境所造成的污染也日益突出， 尤其是对我国水环境的严重污染，已成为工业污染防治的焦点、热点和难点【l 】。目 前，据不完全统计，我国有大中小型造纸厂总数5 0 0 0 多家，年排放废水量高达4 0 多亿i n 3 ，占全国废水总排放量的十分之一，造纸废水中的b o d 5 年排放量2 0 0 多 万吨，占全国废水总排放中2 5 ，在“十一五 规划中，许多省均把造纸厂废水的 综合治理放在十分重要的地位。因此，如何应用高新技术治理造纸污水，化害为 利，回收和回用纤维与木素资源，促进生态环境保护与造纸工业可持续发展，具 有重要的现实意义【2 】。 随着造纸工业的迅速发展，造纸工业废水已经成为水环境的重要污染源之一。 在造纸过程中，除纤维素和部分半纤维素之外的大量有机物要进入废水中，并且 即使经过充分的废液回收利用，也还是或多或少地会有一些纤维素和半纤维素流 失进入废水中。含有大量有机物的造纸废水排入水体，对水体会造成不同程度的 污染。同时造纸过程中通常还需要加入一些必要的化学药剂和化学助剂，这些物 质流失进入水体中更是加重了水体污染【3 】。造纸工业的漂白工段通常是采用含氯化 合物漂白，导致排出的漂白废水中含有大量的氯化有机物，其中的氯苯酚、氯化 脂肪酸、氯化树脂酸、d i o x i n 等有毒且难以处理的氯化有机物，对环境中的生物具 有强烈的毒害、致畸、致多发性脑神经病变作用，因此如何有效地去除造纸废水 中的含氯有机物已经成为废水处理的一大难题。 为了造纸工业的可持续发展，人们对于漂白废液的污染物和制浆造纸过程中 段废水的污染物进行了大量研究，处理方法也很多，主要有：物理法，如过滤、 沉淀、气浮、离心分离法等；化学法、如氧化、还原、中和法等；物理化学 法，如絮凝沉淀法，混凝法，活性炭吸附法、离子交换法、电渗析法等；生物 法，又分好氧生物处理法，如活性污泥法、生物膜法；有生物转盘、生物滤池、 生物接触氧化床、生物流化床等形式和厌氧生物处理法等【4 】。制浆造纸废水的一个 第1 章绪论 显著特点是有大量的水溶性的难降解的木素及其衍生物，如化学机械法制浆产生 的废水中含有大量的水可溶分子木素，在漂白废水中含有大量的分子量低的氯代 酚和高分子量的氯代木素衍生物。来自蒸煮工段的废水中含有大量的碱木素或木 素磺酸盐，这些木素中的一部分即使经过物化和生化处理后仍然有一部分以水溶 性的难降解高分子的形式残留下来。这些木素主要由苯丙烷结构单元组成，部分 带有聚木糖和聚葡萄糖甘露糖而以l c c 的形式存在。这些水溶性、难降解木素及 其衍生物，可生化性差，用传统的物化和生化法都很难去除。随着我国制浆造纸 工业的迅速发展和环保法规的日益严格，废水中所含水溶性、难降解的木素及其 衍生物的高效脱除及有效利用的研究显得十分迫切。本课题采用自己合成的木素 前驱物松柏醇葡萄糖苷处理造纸中段废水，主要是使其与废水中的木素及木素衍 生物发生聚合，聚合成大分子以达到脱除的目的。 1 2 国内外治理制浆造纸废水现状 为了造纸工业的可持续发展，人们对于漂白废液的污染物和制浆造纸过程中 段废水的污染物进行了大量研究，处理方法也很多，主要有：物理法，如过滤、 沉淀、气浮、离心分离法等；化学法、如氧化、还原、中和法等；物理化学 法，如絮凝沉淀法、混凝法、活性炭吸附法、离子交换法、电渗析法等；生物 法，又分好氧生物处理法，如活性污泥法；生物膜法，有生物转盘、生物滤池、 生物接触氧化床、生物流化床等形式和厌氧生物处理法等。 1 2 1 制浆造纸废水处理方法 1 物理法：物理处理法主要有气浮法、沉淀法、过滤法、超声法等。丁春生 等 5 1 介绍了高效浅层气浮技术设备的原理、特点，造纸废水经该工艺处理后， c o d c ，、s s 去除率分别达到9 0 和9 9 以上，出水水质达到造纸工业废水排放二 级标准。涡凹式气浮装置具有技术含量高、投资省、运行费用低、操作简便、适 应性强等优点。江西纸业有限公司和江西新余市造纸厂分别引进涡凹式气浮装置 各1 套，经过近1 年的生产实践，运行情况良好，处理废水效果令人满意。宿州市 天利纸品厂 6 1 再生浆造纸废水经涡凹式气浮装置工艺处理后，出水水质达到造纸工 业废水排放标准g w p b 2 1 9 9 9 二级标准。广州市华珠保环保工程技术有限公司【7 】 自行研制开发出了一种效率高、成本低的e w p 高效污水净化器，经该设备处理后 的造纸废水8 0 可回用于生产。周珊等【8 】以造纸黑液为对象，研究了造纸废水初始 浓度、超声时间、加入h 2 0 2 及加入f e n t o n 试剂( h 2 0 2 + f e s 0 4 ) 对其超声降解效率的 影响，实验结果表明，造纸黑液降解率与超声时间成正比，初始浓度对超声降解 效果有一定影响，加入h 2 0 2 和f e n t o n 试剂可提高降解效率。 沉淀法和气浮法都是用来除去废水中悬浮物的方法。沉淀法是指利用重力沉 2 山东轻工业学院硕士学位论文 淀的作用将悬浮物除去；而气浮法是利用高度分散的小气泡作为载体去粘附废水 中的污染物，使其密度小于水而上浮到水面实现固液或液液分离的过程。与沉淀 法相比，气浮法具有占地少、泥渣不易腐化、出水水质好、浮渣含水率低、所需 药剂量少等优点，但是气浮法电耗较大。 2 化学法：化学处理法是利用化学药剂的氧化还原作用，将废水中的某些溶 解性污染物转化为容易从水中分离的形态。常用于造纸废水的化学氧化法包括 c 1 0 2 氧化、臭氧氧化、k m n 0 4 ，氧化等。 由于各种处理方法自身的局限性以及造纸废水中c o d 相对分子量较大的差 异，常常将各种处理方法组合，如化学氧化一混凝沉淀处理法、气浮一好氧生物 处理法、混凝沉淀一好氧处理法等 9 1 。 3 物理化学法：物理化学法是通过物理或者化学反应的作用来达到去除废水 中的污染物的目的，主要有以下方法： ( 1 ) 絮凝法：絮凝法适应性强、基建投资低、管理简单，是水处理常用的方法， 它处理的对象是废水中利用自然沉降法难以沉淀去除的细小悬浮物及较大的胶体 微粒。絮凝剂中的a 1 ”、f e 3 + 和c a 2 + 等盐类无机物和酰胺类的有机高分子化合物 与废水中的悬浮物和大分子有机物发生电中和，降低胶体粒子的毛电位，以吸附、 架桥等形式凝聚成大颗粒物质沉降分离而达到净水的目的。近年来，新型无机化 学絮凝剂如聚合铝、聚合铁和复合型无机混凝剂的开发成功，以及有机高分子絮 凝剂的开发，使絮凝处理法可以采用较少的药剂，就可达到较高的处理效果。孙 加龙【l o 】采用壳聚糖絮凝分离废液中的溶解木素，发现在适宜的条件下对废液中的 固形物、有机物、无机物以及c o d c r 都有较高的去除率( 5 2 、一7 0 ) 。顾学芳、张 跃军研究发现：把无机絮凝剂与有机絮凝剂配合使用有更好的处理效果；配合使用 中有机絮凝剂相对分子质量较高者与阳离子度较高者相比，前者有更好的处理效 果。他们用自制阳离子聚丙烯酰胺( p a m ) 与聚合氯化铝( p a c ) 配合处理废纸再生造 纸废水，出水c o d 去除率达7 5 以上，透过率达9 2 0 , , - - 9 5 ，且下层絮体较大， 坚韧、易于脱水【1 1 , 1 2 。絮凝沉降法只能去除废水中的悬浮物质和部分胶体物质，对 于溶解的和部分胶体的物质是不起作用的，所以一般废水仅仅通过混凝法并不能 达到排放或回用标准，絮凝沉降法一般作为废水的一级处理或三级处理。 ( 2 ) 混凝法：混凝法是目前国内外重点研究的方向之一，混凝就是在废水中预 先投加化学药剂来破坏胶体的稳定性，使废水中的胶体和细小悬浮物聚集成容易 分离的絮凝体。混凝法适应性强、基建投资低、管理简单，是水处理常用的方法， 在造纸行业的废水处理中使用普遍。造纸废水中由于含有大量纤维和化学药剂， 所以一般在处理造纸废水时首先要用混凝法除去这些物质。张学洪、解庆林【1 3 】等 利用聚合氯化铝处理广西某造纸厂的造纸终端废水( c o d c i ；o o m g l ) 处理后可 以达到国家污水排放标准( c o d c r | 一i r 浓溶液 卫 ( 2 o c m 5 0 0 c m ) 穿透色谱柱 i m “产物) 图4 5 废水中l c c 的提取 2 木素前驱物松柏醇一d d 葡萄糖苷【a1 3 c 】与废水中l c c 的聚合反应 将0 3 9 木素碳水化合物复合体溶解在p h 为5 的h a c n a a c 缓冲溶 液中，温度为3 0 。c ，加入漆酶，p 一葡萄糖苷酶，后滴加0 2 9 松柏醇b d 4 7 第4 章松柏醇p - d - 葡萄糖苷 q - 1 3 q 与废水中可溶性木素及l c c 的聚合反应及机理的研究 葡萄糖苷和o 1g 松柏醇葡萄糖苷【a 1 3 c 】，同时通空气，反应一定的时 间。反应结束后离心分离，沉淀部分用蒸馏水清洗，干燥。 取o 3 9 松柏醇- p d 葡萄糖苷，进行上述对照实验。 3 产物的红外光谱测试 取约l m g - - 2 m g 样品压成膜片，采用b r u k e rv e c t o r 3 3 型红外光谱仪 ( 德国布鲁克) 测定傅立叶变换红外光谱图。 4 产物的核磁测试 将产物溶于d m s o d 6 ，用5 m m 的试样管在b r u k e r a d v a n c e 4 0 0 核 磁共振仪( 布鲁克公司) 上15 0 9 2 m h z 观测频率下进行碳谱扫描，对每个 样品进行约2 0 0 0 0 次扫描。实验条件为：温度室温，接受时间0 9 s ，脉 冲迟滞1 7 5 s 。 5 相对分子质量m n 的测定 将已知相对分子质量的标准品分别用流动相配制成1 0 m g m l 的溶液， 进样量为15 p l ，记录g p c 色谱图，用g p c 软件以标准样品相对分子质 量的对数l o g m w 对洗脱体积e l u t i o nv o l u m e 进行回归处理【6 0 】。将多产物 样品用流动相配制成1 0m g m l 的溶液，进样15 1 x l ，测得产物样品的保 留时间，利用标准曲线求得产物相对分子质量。凝胶渗透色谱法( g p c ) 测定产物相对分子质量m n ：色谱条件：s h i m p a c kg p c 8 0 3 凝胶 柱，3 0 0 m m l 8 m m l d 凝胶柱：流动相为四氢呋喃( t h f 高效液相色谱) 溶 液；体积流量0 5 m l m i n ；柱温3 5 ；进样1 5 肛l ；标样为已知相对分子 质量的聚苯乙烯( d e x t r a n ，相对分子质量为31 4 0 0 ，2 9 0 0 ，l9 3 0 岛津公司) ； 检测器为紫外2 8 0 m n 检测器，仪器为l c 2 0 a t 液相色谱仪( 岛津( 香港) 有限公司) 4 2 2 结果与讨论 1 相对分子质量的分析 为了测定产物是否为聚合产物，对其进行了相对分子质量的测定， g p c 能够对高聚物的相对分子质量进行精确测定。废水中的l c c 的相对 分子质量是4 0 6 木素前驱物松柏醇葡萄糖苷的相对分子质量4 4 2 ，通过 g p c 的测定，聚合物的保留时间明显变短，聚合产物的相对分子质量上 升为2 3810 3 6 8 8 6 之间，说明反应为聚合反应。图4 6 为产物的相对分 子质量分布图，图4 6 中( 1 ) 为产物的相对分子质量m n 分布曲线，( 2 ) 为松 柏醇葡萄糖苷的相对分子质量m n 分布曲线，( 3 ) 为废水中l c c 的相对分 子质量m n 分布曲线。曲线( 1 ) 中在时间为18 7 2 5 m i n 开始有峰，到达 2 4 5 3 0 m i n 结束，曲线( 2 ) 出峰是在2 5 1 2 3 m in 时，曲线( 3 ) 出峰是在 山东轻工业学院硕士学位论文 2 6 0 18 m i n 时。通过积分我们可以看到曲线( 1 ) 的相对分子质量m n 的变 化，测得的相对分子质量m n 的范围是2 3 8 10 3 6 8 8 6 ，可见相对分子质 量增大了，得到分子量较高的聚合物。 注：1 共聚产物；2 松柏醇葡萄糖苷；3 废水中l c c 图4 6 产物的分子量分布图 2 红外谱图分析 图4 ，7 为废水中l c c 和聚合后产物的红外光谱图。 4 0 0 03 5 0 03 0 0 02 5 0 02 0 0 01 5 0 01 0 0 05 0 0 w a v e n u m b e rc m 1 注a ：废水中的l c c ；b ：聚合产物 图4 7 废水中l c c 和聚合后产物的红外光谱图。 反应后的l c c 在1 5 9 5 6 2 c m 以及1 5 1 1 1 3 c m ，1 4 6 3 1 5c m 以处吸收 比没有处理的木素碳水化合物复合体要明显得多。而15 9 5 6 2 c m 。1 及 151 1 13 c m ，1 4 6 3 15 c m d 处是苯环特征吸收峰 4 8 】，说明有大量的苯丙烷 结构单元与废水l c c 接枝共聚，吸收峰变得比较明显说明了木素含量的 宕o o 上8 o d o寸on呙01 篡卫姜葛现萎卜 第4 章松柏醇p - d 葡萄糖昔 a - 3 c 】与废水中可溶性木素及l c c 的聚合反应及机理的研究 增加，同时也说明经过处理后的木素碳水化合物复合体在结构上发生了 变化，主要是由于松柏醇b d 葡萄糖苷在酶的作用下形成了木素脱氢聚 合物( d h p ) ，在形成d h p 的过程中，通过自由基缩合，以化学键的形 式与l c c 结合在一起。红外光谱图的各官能团的归属如表4 3 。化学键 的具体结合方式通过1 3 c n m r 进一步分析。 表4 3 反应前后木素的红外光谱的各官能团归属 试样c m d 废水中l c c 聚合后l c c 官能团归属 3 ”c n m r 分析 图4 8 为废水中l c c 和聚合产物的1 3 c n m r 谱图 山东轻工业学院硕士学位论文 ，t 毫l l j z m 鲁 i 翦 一釜l 譬 链 陆 豫 2 拿 2 7 l 爿 c k i 琵 一 j 一 糟 。j 一茁凇j 以避。 li 主13 i 2 囊 匿毒 7 产，翠鹌l l l 。 一一r 蕊- - l jb_ 溅矗j 似i 3 3篮 蛙 嚏 l 2 7 匏 。越 | 衢1j 轳 l 一i 烈一j i | | l r t 培嘲咿”p 衅叩”伸叫铲一甲御妒埘甲叩l r 州一审叫一r + 妒忡啼+ 叮一p 叶忖叶冉叶一嶂降岬p 叩1 坤啊r 哪 中 拼l 糖 糍l 锥嫩蠛鞠髓 髓 瓣 注a ：废水中的l c c ；b ：不带标记的产物；c ：带a 13 c 标记的产物 图4 8 废水中的l c c 和聚合产物的1 3 c n m r 谱图 表4 4 木素的1 3 c n m r 谱图的信号归属 6 7 8 9 1 7 5 41 7 2 6 1 6 9 9 1 5 3 7 1 5 2 6 1 9 1 5 1 7 2 5 1 6 9 2 1 5 3 5 1 5 2 7 1 5 0 0 1 4 9 1 1 4 7 71 4 7 9 1 4 3 2 1 3 2 6 1 4 3 3 1 3 2 8 香草醛q c h o c o o h ，脂肪酸中 f a 和c a 中的酯键 松柏醛结构c a s 结构中的c 3 c 4 ， 带伍c o 的g 结构 c 4 醚化的愈创木基 c 3 ，c 5 s 结构中的c 3 c 5 ， g 结构中的c 4 c 3 醚化的5 5 c 4 c 4 非醚化g 结构c l ， s 和h 结构 1 0 1 3 0 11 3 0 2松柏醇结构c a 5 l 第4 章松柏醇- p d 葡萄糖苷 a - 1 3 c 】与废水中可溶性木素及l c c 的聚合反应及机理的研究 谱图中各官能团的吸收如表1 所示，这里为了便于分析，含量较稳 定的甲氧基峰( n o 2 6 ，6 5 6 ) 作为对比基准。比较图4 8 中a ，b 和c ， 可以发现经过1 3 c 同位素标记在化学位移为6 1 9 1 低场处有一个十分微弱 的信号得到大幅度增强，很明显该信号来自含a c h o 的香兰素结构 ( n o 1 ) 。n o 2 ( 8 17 1 ) 是含有c o o 结构及脂肪族乙酰基中酯类羰基碳的 的共振信号，从峰强来看具- c o o 一结构的单元含量不高。在谱图4 ，c 中 6 15 3 ( n o 4 ) 处信号尖锐而且得到加强，其加强部分主要来自松柏醛结构 a - c 的共振，从该峰的强度可知松柏醇结构单元在产物中有较高的含量。 5 2 山东轻工业学院硕士学位论文 共振信号n o 10 ，1 1 主要来自松柏醇结构的a c ，3 - c ，其信号的加强来 源于同位素标记的松柏醇结构的a c ，从图中信号强弱可知在产物中含 有大量的松柏醇结构，另外也说明了产物中与a c 相接的双键含量仍然 比较多，这方面与天然木素结构有一定的差异。其中n o 8 ( 8 14 3 ) 来自醚 化5 5 结构的c 4 c 4 。 图4 8 中经过”c 同位素标记后8 8 5 8 7 间的信号增加幅度最大，来 自p 5 结构( n o 1 7 ，6 8 7 ) 和1 3 - 1 3 结构( n o 1 8 ，8 8 5 ) 的i f , c 得到大幅度 增加，说明p 一5 结构和1 3 - 1 b 结构在该物质结构中的含量较大。n o 1 9 ( 8 8 4 ) 来自与糖类以苯甲醚键连接结构的a c 和带a c o 的1 3 - o 4 结构的d c 共振信号的叠加，而n o 2 0 ( 8 8 1 ) 则来自a o 。4 结构a 1 3 c 和b o 4 结 构中p - c 信号的重叠，其信号增强部分来自与之对应结构中a c 的信号 的增强，可以推知物质结构中木素与糖类的连接则以苯甲醚键为主 1 0 1 - 1 0 3 1 。通过对n o 2 1 ( 8 7 4 ) 和n o 2 2 ( , 5 7 2 ) 峰位的分析，我们进一步确知 木素存在结构单元之间连接的主要形式是b o 4 结构，因为i 5 7 4 为苏型 p o 4 结构中a c 的信号以及与碳水化合物有酯键连接的a c ，而, 5 7 2 则 来自赤型p o 4 结构中n c ，在对比图c 中n o 2 1 和n o 2 2 共振峰，并 结合自身比较会发现，在产物中主要结构单元p o 4 结构中又分为苏型 和赤型两种异构体，其中与赤型为主。在化学位移8 6 0 6 3 处的都为木素 结构单元中丫c 的共振信号，通过分析可知n o 2 4 为p 5 结构p 1 结构和 松柏醇结构中丫c 信号的叠加峰，与此相对应的p o 4 结构中丫c 由于 其邻位c p 上连有负电性氧原子导致7 c 上的电子云密度增加，致使丫c 化学位移比p 5 和b 1 结构中的丫c 要高一点，出现在6 6 1 ( n o 2 5 ) 处。 在产物中化学位移5 3 2 ( n o 2 8 ) 处看到增强的弱信号来自愈创木基苯丙 型结构的a 亚甲基，而且该类型结构含量较低。图中t 5 2 9 以上高场信号 来自木素饱和侧链上b c 和脂肪族酰基上的甲基。 上述结果再一次证明了，d h p 生成过程中与碳水化合物之间主要以 苯甲醚键结合，而生成的木素主要以p o 4 ，1 3 - p ，3 - 1 ，d 5 为主，其中 松柏醇醛结构含量也比天然木素要高得多，另外还存在少量香草醛结构 及q 位带有亚甲基结构的苯丙烷结构和醚化5 5 结构。因此我们可以知 道木素前驱物松柏醇葡萄糖苷与废水中l c c 在木素氧化酶体系下可以发 生聚合反应，聚合为木素碳水化合物大分子。这一点可以从相对分子质 量m n 的增大得出来。 第4 章松柏醇b d - 葡萄糖苷- a - 1 3 c 】与废水中可溶性木索及l c c 的聚合反应及机理的研究 4 3 松柏醇一b - d - 葡萄糖苷处理制浆造纸废水的效果 由以上的实验我们知道，木素前驱物松柏醇d d 葡萄糖苷能够分别 与造纸废水中的可溶性木素和造纸废水中的木素碳水化合物复合体聚合 成大分子，因此我们将木素前驱物松柏醇b d 葡萄糖苷用于处理制浆造 纸废水，实验结果发现废水中木素的浓度大约下降了1o 倍，由原来的 0 7 3 9 l 降到0 0 7 8 9 l ，色度大约降低了2 7 8 倍，由废水的5 0 0 降到处 理后的1 8 ，并且在废水中有大量的沉淀沉出，而且废水的可生化性得到 增强。 4 4 本章小结 木素前驱物松柏醇葡萄糖苷与水溶性木素能在酶催化的体系下发生 聚合反应，同时相对分子质量m n 的测定结果也显示聚合后相对分子质 量m n 明显增大，红外光谱的分析也证明了松柏醇葡萄糖苷与废水残余 木素发生共聚反应，聚合为木素大分子，其主要是通过b o 4 、d d 、b 5 和p 1 等方式相连接，聚合产物中松柏醇和松柏醛含量都比较高。有利 于这些可溶性木素的沉淀，因此我们可以考虑将其用在造纸废水处理方 面，可有效地去除可溶性、难降解的木素，从而降低造纸废水的污染负 荷。 木素前驱物松柏醇葡萄糖苷与造纸厂废水中的l c c 能在木素氧化酶 催化的作用下发生聚合反应，聚合为木素一碳水化合物复合体大分子， 大量木素结构单元接枝共聚到废水l c c 上，连接方式主要有p o 4 ，p d ， p 5 ，p 1 等木素结构单元之间的连接以及苯甲醚键型键，聚合产物中松 柏醇和松柏醛含量都比较高。相对分子质量m n 的测定结果也显示聚合 后相对分子质量m n 上升为2 3 8 l0 3 6 8 8 6 ，明显增大，有利于废水中l c c 的沉淀。 山东轻工业学院硕士学位论文 第5 章结论 造纸废水是水体污染的主要污染源之一，其主要难去除和难降解物 质为水溶性木素，利用木素氧化酶催化木素前驱物与废水中木素之间的 共聚反应，能够高效、稳定地使废水中的可溶性木素及木素碳水化合物 复合体与其聚合成疏水性木素大分子而沉淀出来。本论文提出松柏醇 p d 葡萄糖苷作为木素前驱物处理造纸废水的新方法，先通过模型物的 反应证明聚合木素模型物能继续在木素氧化酶的作用下与带1 3 c 同位素 标记的木素前驱物一起发生木素脱氢聚合反应发现脱氢共聚产物的化学 结构是典型的d h p 结构。为了进一步研究废水中的木素和l c c 在酶催 化作用下与木素前驱物的共聚反应。本研究独创性地从造纸废水中提取 了木素和l c c 组分，在漆酶的作用下与松柏醇d d 葡萄糖苷进行脱氢共 聚反应，并对共聚产物的分子量变化和共聚产物的化学结构进行了分析， 发现废水中的木素和l c c 也同样具有脱氢聚合能力。然后应用于处理废 水的研究中，并发现在脱色和脱木素方面有显著的效果。 5 1 主要研究结论 1 木素模型化合物愈创木基丙三醇一1 3 一愈创木基醚用无水乙酸钠和愈 创木酚为起始原料可合成得到；用溴化铜做溴化剂，对4 乙酰基愈创木 酚的侧链进行的溴化反应具有很高的选择性，其溴化率达8 0 以上，用 乙醇代替三氯甲烷和乙酸乙酯做反应溶剂，对4 乙酰基愈创木酚的侧链 进行的溴化反应，使反应由非均相反应转变为均相反应，缩短了反应时 间，其产物得率保持在8 0 以上。合成出来的d o 4 模型物及中间产物 通过熔点测定、红外光谱分析以及1 h n m r 来分析发现该产物具有较好 的纯度。以带有1 3 c 同位素的醋酸钠【l - 1 3 c 和愈创木酚为原料可以合成 带”c 标记的木素前驱物一一松柏醇b d 葡萄糖苷【a 1 3 c 】，通过熔点、 f t - i r 、1 h n m r 和1 3 c n m r 等方法分析发现松柏醇p d 葡萄糖苷具有 较好的纯度。 2 木素前驱物松柏醇葡萄糖苷与p o 4 型模型化合物能在漆酶催化的体 系下发生聚合反应，同时相对分子质量m n 的测定结果也显示聚合后相 对分子质量m n 明显增大，共聚产物的分子量为3 2 0 0 8 6 7 0 之间，f t - i r 的分析结果也证明了松柏醇葡萄糖苷与p o 4 型模型化合物发生共聚反 应，聚合为木素大分子。进一步用1 3 c n m r 的分析结果表明：生产的脱 氢聚合反应主要是通过p o 4 、p p 和p 5 等方式相连接，聚合产物中松 5 5 第5 章结论 柏醇和松柏醛含量都比较高。共聚产物没有结晶性物质的存在，反应程 度非常彻底。因此我们可以考虑将其用在造纸废水处理方面，可有效地 去除可溶性、难降解的木素，从而降低造纸废水的污染负荷。 3 为了进一步探讨造纸废水中水溶性木素在漆酶催化作用下与木素前 驱物的脱氢共聚能力，本研究从制浆造纸废水中提取了水可溶木素组分。 作为木素前驱物的松柏醇葡萄糖苷与水溶性木素在酶催化的体系下发生 聚合反应。相对分子质量m n 的测定结果显示聚合后相对分子质量m n 明显增大，f t - i r 的分析也证明了松柏醇葡萄糖苷与废水残余木素发生 共聚反应，聚合为木素大分子。1 3 c n m r 的分析结果表明：该共聚产物 主要是通过b o 4 、b b 、p 5 和b 1 等方式相连接，聚合产物中松柏醇和 松柏醛含量都比较高。由于该共聚产物也具有典型的d h p 的结构，疏水 性较好，有利于废水中可溶性木素的沉淀，因此将漆酶催化木素前驱物 脱氢聚合体系用于造纸废水处理时可有效地去除可溶性、难降解的木素， 从而降低造纸废水的污染负荷。 为了深入探讨造纸废水中l c c 组分在漆酶催化作用下与木素前驱物 的脱氢共聚能力，本研究从制浆造纸废水中提取了l c c 组分。木素前驱 物松柏醇葡萄糖苷与造纸厂废水中的l c c 能在木素氧化酶催化的作用下 发生聚合反应，聚合为木素含量较高木素一碳水化合物复合体大分子。 1 3 c n m r 的分析结果表明：大量木素结构单元接枝共聚到废水l c c 上， 连接方式主要有p o 4 ，b b ，p 5 ，p 1 等木素结构单元之间的连接以及 苯甲醚键型键，聚合产物中松柏醇和松柏醛含量都比较高。相对分子质 量m n 的测定结果也显示聚合后相对分子质量m n 上升为2 3 8 10 3 6 8 8 6 ， 明显增大，有利于废水中l c c 的沉淀。 5 2 本研究的创新之处 1 采用溴化铜做溴化剂，结果发现，该方法合成愈创木基丙三醇一1 3 一愈 创木基醚能使得率保持在8 0 以上，纯度也比较高。通过熔点测定、红 外光谱分析以及1 h n m r 来分析和确认了化学结构。首次发现阿魏酸 ( 2 ，3 ，4 ，6 四o 乙酰基) b d 葡萄糖苷吡啶盐中间产物的存在并采用酸性 水洗涤干燥后，多次用乙醚对反应产物进行多次洗涤处理以除去游离的 吡啶可以确保产物的纯度。 2 首次用木素前驱物与b o 4 型木素模型化合物在氧化酶的催化作用下 进行共聚反应。并证明d o 4 型木素模型化合物能与松柏醇p d 葡萄糖 苷一起发生脱氢聚合反应，反应后的分子量增大很多，通过碳1 3 同位素 山东轻工业学院硕士学位论文 示踪结合1 3 c n m r 分析等方法发现共聚产物主要的化学连接键是 p o 4 、1 3 - 1 b 和p 一5 等，并含有较高的松柏醇和松柏醛。 3 首次利用松柏醇d d 葡萄糖苷作为木素前驱物处理造纸废水，并 深入探讨了反应机理。经木素前驱物处理后发现废水中木素的浓度大约 下降了1 0 倍，色度大约降低了2 7 8 倍，由废水的5 0 0 降到处理后的1 8 。 同时将木素前驱物分别与废水中的可溶性木素和木素碳水化合物反应， 并对机理做了研究。木素前驱物松柏醇葡萄糖苷与水溶性木素能在酶催 化的体系下发生聚合反应，聚合为木素大分子，其主要是通过b o 4 、1 3 - 1 b 、 p 5 和p 1 等方式相连接。木素前驱物松柏醇葡萄糖苷与造纸厂废水中的 l c c 能在木素氧化酶催化的作用下发生聚合反应，聚合为木素一碳水化 合物复合体大分子，大量木素结构单元接枝共聚到废水l c c 上，连接方 式主要有p o 4 ，d d ，p 5 ，p 1 等木素结构单元之间的连接以及苯甲醚 键型键，聚合产物中松柏醇和松柏醛含量都比较高。 5 3 下一步工作的计划 1 木素前驱物处理废水后得到大量木素含量较高的沉淀物，这些沉淀物 可用于聚氨酯合成方面的研究，针对这些沉淀物的用途，还需要再做进 一步