随着经济的发展，人们对能源的需求逐渐增加。除了化石能源的减少，人们开始将注意力转向生物质能源。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。通常，对木质纤维素的研究大多针对其中的单一组分，仍然缺乏混合物的分离研究。

基于此，青岛大学化学化工学院的刘晓敏教授研究团队通过分子动力学模拟，建立了木质素和纤维素的混合模型。选择了五种离子液体（[Emim][Gly]、[Emim][OAc]、[Bmim][OAc]、[Chline][Gly]和[Chline][OAc]），对比分析各种离子液体之间的差异对生物质的分离产生的影响。为了确定离子液体对木质素和纤维素的分离效果，从两个因素来表征：分离速度和分离能力，这两个因素分别对应于体系的动力学和热力学特性。

如图1所示，我们所使用的模型由愈创木酚（G）的二聚体和纤维素束组成，G单体通过β-O-4连接，β-O-4是天然木质素中最常见的连接。木质素选用了具有代表性和普遍性的β-O-4模型。

图1. 纤维素与木质素混合结构示意图

（图片来源：Ind. Eng. Chem. Res.）

图2.（a） 木质素和木质素之间（b）木质素和纤维素之间（c）纤维素和纤维素之间的氢键变化

如图2所示，通过分析了不同离子液体中木质素与纤维素之间的氢键变化发现，在[Emim][OAc]、[Emim][Gly]和[Bmim][OAc]中木质素和木质素之间的氢键以及纤维素和纤维素之间的氢键在很短的时间内被破坏。而[Ch][Gly]中木质素和纤维素之间的氢键断裂之间存在时间差，当时间差明显时可以实现木质素和纤维素的分离。

图3. 木质素和纤维素的RMSD：（a）[Bmim][OAc]、（b）[Emim][OAc]、（c）[Emim][Gly]、（d）[Ch][Gly]和（e）[Ch][OAc]

表1. 不同离子液体中木质素和纤维素之间的RMSD斜率

为了揭示纤维素和木质素在不同离子液体中溶解速度的差异，计算了纤维素和木质素中原子随时间的均方根偏差（RMSD）。通过计算斜率k（RMSD），获得RMSD与纤维素和木质素的溶解之间的定量关系，如表1所示。可见[Ch][Gly]中RMSD的变化差异较为明显，该离子液体中纤维素的变化低于木质素，表明木质素的结构首先发生变化。

图4. 木质素和纤维素与离子液体和水的单位质量相互作用能

为了分析在分离过程中离子液体与木质素和纤维素的相互作用，计算了相互作用能，如图4所示。离子液体中纤维素和木质素的分离由两个因素控制：分离速率和分离能力。对于分离速度，通过RMSD斜率进行表征，定义为相对扩散因子。对于分离能力，通过计算离子液体中木质素和纤维素的相互作用能，并将其定义为相对分离因子。

图5. 离子液体中木质素和纤维素的分离能力

从图5中可以看出，通过分析相对分离因子和相对扩散因子，发现[Ch][Gly]中这两个因子的总和在5种离子液体中最高。因此，可以得出结论，[Ch][Gly]中纤维素和木质素的分离效率最好。通过对[Emim][OAc]、[Bmim][OAc]和[Choline][OAc]的分析，发现含有咪唑阳离子的离子液体对木质素和纤维素的分离效率较差，而含有胆碱阳离子的离子液体的分离效率较好。通过比较[Emim][Gly]和[Emim][OAc]、[Chline][Gly]和[Chline][OAc]的分离能力，发现阴离子结构对木质素和纤维素的分离影响不大，而阳离子结构在分离中起主要作用。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.iecr.3c01450

原文作者：

Jikai Zhang, Guohui Zhou, Timing Fang, Zhezheng Ding, Xiaomin Liu.

DOI: 10.1021/acs.iecr.3c01450

作者信息：

姓名：张继凯

2021级硕士研究生

邮箱：zzjjkk1207@163.com

研究方向：离子液体中生物质的分离及应用