利用碱法制浆工艺从稻壳中绿色合成木质素纳米颗粒、微铝硅酸盐和微二氧化硅的方法

《Journal of the Indian Chemical Society》：Green Synthesis Approach of Lignin Nanoparticles, Micro Alumino-silicate and Micro-Silica from Rice Husk via Soda Pulping Method

　　Amany F.A. Abdelhaleem|Mahmoud A. Goad|Marwa Abd-Elfattah 梅努菲亚高等工程与技术学院 **摘要** 生物质是指来源于植物或动物的有机材料，是一种可再生的原料，可用于生产高附加值材料。本研究以稻壳（RH）这种丰富的农业废弃物为例，探讨了其作为生产木质素纳米颗粒（LNPs）、微铝硅酸盐（MAS）和微硅（MS）的可再生来源。研究过程首先通过碱法制浆稻壳，同时提取木质素纳米颗粒并生成富含硅的相。该方法得到了一种含有分散的LNPs和MS的胶体系统。随后开发了一种新型的铝辅助沉淀策略，以高效分离LNPs。在这种方法中，MS通过与氢氧化铝（Al(OH)3）反应化学转化为MAS，从而实现快速沉淀并使LNPs从悬浮液中分离出来。值得注意的是，该方法能够在不损失木质素的情况下有效回收木质素，从而保持生物质的碳效率。整个过程在温和条件下进行，能耗较低；同时，对铝基试剂的严格控制也减少了化学需求。此外，该方法的可扩展性使其适用于工业应用。所得产品（LNPs、MAS和MAS）通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、粒径分析（PSA）和扫描电子显微镜（SEM）进行了表征。 **引言** 生物聚合物纳米颗粒（BPn）可分为两类：天然类（基于多糖和蛋白质）和合成类[1]。已有多种制备纳米颗粒的技术，每种技术都能产生具有独特形状和表面电荷的纳米颗粒[2]。这些技术包括乳化、离子凝胶化、电喷雾干燥和纳米沉淀[3]。BPn的特性和用途取决于其形态[4]。 木质素是一种主要存在于木质纤维素生物质细胞壁中的生物聚合物，常见于木材、草和作物秸秆中，是自然界中仅次于纤维素的第二大常见聚合物[5]。农业和工业生物质在废弃后会对环境造成污染。与其他生物材料相比，木质素的价格相对较低，因为其大部分成本集中在提取过程中[6],[7]。 木质素的结构受生长条件、生物质类型和提取方法的影响[6],[8]。由于其多种有益特性（如生物降解性、生物相容性、抗氧化活性、无细胞毒性以及通过微生物降解增加土壤养分的能力），木质素成为制备环保纳米材料的理想前体[9],[10]。无论采用何种提取方法，木质素结构主要由香叶醇、松脂醇和香豆醇三种苯丙烷单体组成[11],[12]。植物中的初级代谢和次级代谢相互作用会产生不同的物质[13],[14],[15]。初级碳代谢产生蛋白质、脂质和叶绿素[16],[17]，而次级碳水化合物代谢则生成萜类化合物、生物碱和氰苷类化合物[18]。 绿色化学领域鼓励在化学工业和学术实验室中使用可再生资源作为原料[19],[20]。目前仅有40%的木质素用于生物精炼，因为单独将其用于能源生产并不经济[21]。据估计，到2025年木质素的年产量将达到约9.13亿美元[22]。为了提升生物经济价值，必须探索木质素的新应用，以提高相关生物精炼过程的盈利能力[23]。特别是造纸业每年产生超过3000万吨废弃物，其中大部分被焚烧用于发电。中国是全球领先的木质素化学品生产国，其次是印度、日本和印度尼西亚[22]。 所使用的木质素类型取决于提取木质纤维素生物质的方法。硫和硅的含量会影响最终木质素的纯度[24]：例如，硫酸盐法制浆得到的木质素纯度较高，而木质素磺酸盐的纯度较低，这是由于其中含有较高的硫和硅。目前已在工业和试验规模上对多种木质素类型进行了处理，以实现高产率。此外，对木质素纳米材料新生产方法的生命周期评估（LCA）从技术和经济层面支持循环经济的发展[23],[25]。研究表明，将木质素纳入产品生产有望改善多种环境指标（包括碳足迹、气候变化和温室气体排放）[22]。 从技术和经济角度来看，木质素可以通过生物精炼转化为高附加值产品[23],[26]。近年来，由于木质素具有广泛的优异性能（如抗菌性、废水处理能力和紫外线吸收性），其在功能复合材料领域受到了广泛研究[27]。目前有许多创新努力致力于扩展基于LNPs的复合材料的用途[28]。几十年来，人们一直在深入研究和利用木质素，从而大大扩展了其应用范围[29]。由于木质素来源于工业和农业废弃物，并且受到绿色化学的支持[30],[31]，将其转化为LNPs并在技术和工程中应用可能有助于实现全球可持续发展[32]。回收农业和工业产生的大量生物质废弃物最有效的方法是将其转化为生物基材料并应用于高科技领域[33]。此外，由于木质素与苯丙烷单元的结构相似性，它还是一种有前景的酚类替代原料[34]。 目前有多种合成LNPs的方法正在研究中，包括CO2饱和、纯木质素的溶剂交换、木质素的乙酰化及透析、闪速沉淀法[35]、超声处理[36]、离子凝胶化[37]和水包油微乳液法[38]。木质素前体及其纳米颗粒的合成方法都会影响最终颗粒的物理性质，而LNPs多样的表面特性使其适用于多种环保用途[35]。酸沉淀法是最简单且经济可行的方法之一。