CN101235604A - 从秸秆中提取纤维素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从秸秆等非木本植物纤维原料中提取纤维素的方法。具体地说，本发明涉及通过同时从秸秆中除去硅和木质素提取纤维素的方法。本发明通过对秸秆进行有机溶剂、无机碱性溶液及氧化性溶液等进行处理，可同时从秸秆中除去硅和木质素等，得到纤维素。
Description
发明领域
本发明涉及一种从秸秆等非木本植物纤维原料中提取纤维素的方法以及由此所得的纤维素。具体地说，本发明涉及通过同时从秸秆中除去硅和木质素提取纤维素的方法。
背景技术
由于生态平衡遭受破坏，沙漠化日益严重，对环境保护和可持续发展的要求越来越高，秸秆类植物如麦秆、稻秆等农作物残余物作为新的天然纤维素来源以及用于造纸工业纤维中木材的替代材料，由于其极为价廉而易得，正受到越来越多的关注和研究。
与木材相比，秸秆植物中含有相对含量较高的硅成分。现有技术中对于从硅含量较高的秸秆类材料中提取纤维素一般为用机械法除去硅，然后用碱液蒸煮的方法进行，该方法耗能而污染(纤维素科学，高洁，汤烈贵编，1996，第18页)。并且该方法在制浆过程中，会有很大部分的硅残留于纤维素纤维上，同时不能有效除去木质素。大量的木质素残留影响所提取出的纤维素的质量。相应地，用于造纸时所得纸张韧度不够且难以漂白，只能造出较低质量的纸张。并且回收包含大量硅酸盐的黑液是非常耗能的。另外，有报道仅仅使用双氧水逐步提取纤维素的方法，但是其反应条件复杂且要求较高(Sun等，Industrial Crops&Products，2000，12：p71)。
所以，在本领域需要寻找一种方法，使得在温和而简单的反应的条件下从秸秆类纤维中除去硅的同时也出去木质素，从而得到较为纯净的纤维素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从秸秆类非木本植物纤维原料中除去硅并同时除去木质素，从而提取纤维素的方法。
本发明中所使用的术语“非木本植物”指的是非来源于木本植物的木质纤维素材料，包括一年生或多年生草类以及每年收割的农作物残余秸秆如麦秆、稻草秸秆、玉米秆等。
本发明的从秸秆中提取纤维素的方法可以同时除去秸秆中的硅和木质素等，该方法包括以下步骤：
(1)在所使用的有机溶剂的回流温度下，对秸秆原材料用适当的有机溶剂进行处理以提取秸秆原材料表面的蜡质；
(2)将步骤(1)处理过的秸秆原材料滤出，用浓度为3～6wt％的无机碱性溶液浸泡滤出的秸秆原材料，浸泡时间为10～20小时，除去秸秆原材料中的硅、半纤维素和果胶等非纤维素物质；将秸秆原材料过滤并脱水；
(3)在室温下，将步骤(2)得到的秸秆原材料用pH值为4～6的氧化性溶液进行漂白处理，以除去其中的木质素并进一步除去其中的其它非纤维素成分；
(4)将步骤(3)处理过的秸秆原材料浸泡于3～6wt％无机碱溶液中过夜处理，以进一步除去材料中的非纤维素组分，之后用水冲洗干净以及干燥，得到白色的较为纯净的纤维素。
其中，在步骤(1)对秸秆原材料处理前，首先对原材料进行机械分离，去掉含有大量硅的秸秆的结节部分，所得节间部分可以使用任何常规的粉碎方式进行粉碎。
在步骤(1)中，所用有机溶剂应当易于与蜡质结合并具有挥发性，其是丙酮、乙醇、甲苯、三氯甲烷或它们的任意混合物。提取方式优选是抽提法，其中有利的是将温度控制在该有机溶剂或有机溶剂混合物的回流温度。
在步骤(2)中，将所得材料以本领域技术人员公知的方式进行过滤，优选为抽滤。接着将滤出物浸入无机碱液中以除去硅、半纤维素和果胶等非纤维素物质，可加入适量表面活性剂例如十二烷基硫酸钠以增加除去效率。然后再次将材料过滤并脱水。回收滤液，在滤液中加入适当的无机酸进行中和使硅沉淀，并将其过滤分离，以便于利用回收物。
在步骤(3)中，将经过前述步骤的材料用氧化性溶液在室温下进行氧化漂白以除去其中的木质素并进一步除去其中的其它非纤维素成分。所用氧化性溶液可以选自亚氯酸钠溶液或H2O2溶液等，其浓度可为0.3～5wt％，pH值优选为4.5～5.5。
在步骤(4)中，将所得产物在室温下进一步浸泡于无机碱溶液中过夜，以进一步除去材料中的非纤维素组分，之后用水冲洗干净以及干燥，得到白色的较为纯净的纤维素。
所述的秸秆原材料是农作物秸秆、草本植物或它们的任意混合物。
所述的农作物秸秆选自稻草、麦草、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、红薯秧等中的一种或一种以上的混合物。
所述的草本植物选自芦苇、荻苇、芒杆、竹子、草坪的草屑等中的一种或一种以上的混合物。
所述的无机碱是氢氧化钾、氢氧化钠以及它们的混合物。无机碱液浓度优选为4～5wt％，更优选为5wt％。
在上述步骤中，所用液体的量以液体液面完全超过固体为准。除非另有说明，本发明中所述百分比为重量比。
X射线光电子能谱显示处理前后的产物的谱图中硅的特征峰减到非常弱，说明处理后其存在量很少。FTIR谱图主要显示出纤维素特征吸收峰，仅有相对较弱的木质素和半纤维素特征吸收峰。
附图说明
图1.本发明实施例1所得产物的FTIR谱图。
图2a.本发明实施例1处理前小麦秸秆的X射线光电子能谱全扫描图。
图2b.本发明实施例1处理后小麦秸秆的X射线光电子能谱全扫描图。
具体实施方式
下面通过具体但并非限制性的实施例对本发明示例性地进行详细说明。
实施例1.
将粉碎后的20g小麦秸秆(去掉含有大量硅的秸秆的结节部分)放入索氏抽提器中用200ml体积比为1∶1的甲苯和乙醇的混合溶液回流抽提24小时，然后用180ml浓度为5％的KOH溶液浸泡所得抽提产物12小时，在该过程中轻微搅拌。接着将所得样品抽滤，回收滤液，并将滤出的产物用水冲洗3次，然后再次抽滤并脱水。将所得产物放入150ml浓度为0.4％的亚氯酸钠溶液中浸泡6小时，调节放入样品的溶液的pH值为大约5.0，期间轻微搅拌。然后抽滤所得产物，继续放入5％KOH溶液中处理过夜，滤出溶液中的固体。用水充分冲洗至pH值为中性，并将所得产物在烘箱中充分干燥，得到大约8g产物。
如图1所示，FTIR谱主要显示了纤维素的特征吸收峰(1160cm-1、1098cm-1、900cm-1)，木质素(1595cm-1和1510cm-1)和半纤维素(1735cm-1)的特征峰相对较弱，说明根据本发明的方法得到了较为纯净的纤维素。
如图2a和图2b所示，所得产物的X射线光电子能谱分析数据表明其中以原子百分比表示的Si的含量由5.019％下降为0.329％，并且其中氧碳比O/C由0.2289变为0.6986，该比例的增加与纤维素含量的增加成正比。
Claims (10)
1. 一种从秸秆中提取纤维素的方法，其特征是，该方法能够同时除去秸秆中的硅和木质素，包括以下步骤：
(1)在所使用的有机溶剂的回流温度下，对秸秆原材料用有机溶剂进行处理；
(2)将步骤(1)处理过的秸秆原材料滤出，用无机碱性溶液浸泡滤出的秸秆原材料；将秸秆原材料过滤并脱水；
(3)将步骤(2)得到的秸秆原材料用pH值为4～6的氧化性溶液进行漂白处理；
(4)将步骤(3)处理过的秸秆原材料浸泡于无机碱溶液中过夜处理，之后用水冲洗干净以及干燥，得到纤维素。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的无机碱性溶液的浓度为3～6wt％。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征是：所述的无机碱性溶液的浓度为4～5wt％。
4. 根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征是：所述的无机碱是氢氧化钾、氢氧化钠或它们的混合物。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的有机溶剂是丙酮、乙醇、甲苯、三氯甲烷或它们的任意混合物。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的氧化性溶液的pH值为4.5～5.5。
7. 根据权利要求1或6所述的方法，其特征是：所述的氧化性溶液选自亚氯酸钠溶液或H2O2溶液。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的步骤(1)对秸秆原材料用有机溶剂处理是采用抽提提取方式。
9. 根据权利要求1或8所述的方法，其特征是：所述的秸秆是粉碎后的农作物秸秆、草本植物或它们的任意混合物。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征是：所述的农作物秸秆或草本植物是它们的节间部分。
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