CN101649571A - 一种溶解和提取甘蔗渣中的纤维素的方法 - Google Patents

一种溶解和提取甘蔗渣中的纤维素的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用离子液体溶解和提取甘蔗渣中的纤维素的方法。该方法包括步骤：(1)将甘蔗渣用水浸泡、过滤，用氢氧化钠溶液活化，去离子水冲洗至pH为7，过滤，干燥后粉碎；(2)向经预处理的甘蔗渣中加入离子液体1－丁基－3－甲基咪唑氯盐，加热温度至80℃，保温2～5min后，边搅拌边加入吡啶；在70～100℃温度条件下，溶解反应30min～240min后，离心分离，得到纤维素溶液；(3)将纤维素溶液加到去离子水中，搅拌后过滤，得到滤渣；将滤渣用去离子水洗涤，干燥得到再生纤维素。本发明采用的方法简单，工艺简便，节能环保，极大的扩大了农业废弃物的在利用和纤维素的使用范围，具有广大的应用前景。

Description

一种溶解和提取甘蔗渣中的纤维素的方法
技术领域
本发明属于农产品废弃物重新利用领域，特别是涉及一种利用离子液体溶解和提取甘蔗渣中的纤维素的方法。
背景技术
甘蔗渣作为一种农业废弃物，每年全世界甘蔗渣的产出量约为2970万吨，中国的产出量为2040万吨。如此大量的甘蔗渣如何处理和有效利用，是一个不容忽视的社会和环境问题。目前甘蔗渣大多用于焚烧和饲养牲畜，利用率非常低。
甘蔗渣中含有丰富的纤维素。纤维素作为一种天然高分子材料，不但广泛的用于纺织造纸，还用来制造人造丝，赛璐玢以及硝酸酯、醋酸酯等酯类衍生物；也可制成甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素等醚类衍生物，具有很大的应用市场。
但由于一方面甘蔗渣中含有半纤维素、木质素，它们与纤维素相互缠结，形成分子内或分子间氢键；另一方面纤维素本身结晶形成分子间和分子内氢键，从而使得纤维素很难被溶解。这样一方面不利于纤维素的分离提纯。现在大部分纤维素的分离提纯都是通过亚硫酸盐溶液或碱溶液蒸煮植物原料，除去木素，然后经过漂白进一步除去残留木素，这种方法产生较大的环境污染，如产生造纸黑液等。另一方面也不利于纤维素的均相衍生化反应，扩大纤维素的应用范围。目前纤维素的衍生化反应大多是通过非均相反应生成的。这种方法的问题是反应取代度低、取代不均匀、副产物多。因此需要寻找一种有效的溶剂和溶解方法。
离子液体是一种近年新被广泛应用于绿色化学领域的环保溶液，它特有的良溶剂性、不挥发、对水和空气稳定等优点，特别是其良好的良溶剂性，被广泛地用来作为易挥发有机溶剂的绿色替代溶剂。离子液体被发现可溶解纤维素，但是目前的研究大多只是针对纤维素进行溶解的研究，无论是对秸秆中纤维素溶解的研究，还是对杉木粉、玉米外壳，甚至是对甘蔗渣等也都是先进行预处理将其中的纤维素提取出来之后再进行纤维素的溶解。这样不但增加了工序，同时在用溶剂除去木质素、半纤维素时会产生大量的含有溶剂、木质素、半纤维素的废液，对环境产生很大的污染。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种利用离子液体溶解和提取甘蔗渣中的纤维素的方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(1)将甘蔗渣粉碎后用水浸泡、过滤，用氢氧化钠溶液活化，用去离子水冲洗pH至7，过滤，干燥，得到经预处理的甘蔗渣；
(2)向步骤(1)所得经预处理的甘蔗渣中加入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，加热温度至80℃，保温2～5min后，边搅拌边加入吡啶；进行溶解反应，离心分离，得到纤维素溶液；所述经预处理的甘蔗渣和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的质量比为1∶9～1∶19；所述吡啶和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的摩尔比为3∶1～4.82∶1；
(3)将步骤(2)所得纤维素溶液加到去离子水中，搅拌后过滤，得到滤渣；将滤渣用去离子水洗涤，干燥，得到再生纤维素。
步骤(1)所述氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为0.5～20％；所述活化的时间为5～24h。
步骤(1)所述粉碎为粉碎至过60～100目筛；所述浸泡的时间为1～4h；所述干燥为真空干燥，干燥温度为60～100℃，干燥时间为8～12h。
步骤(2)所述溶解反应的温度为70～100℃，反应时间为30min～240min。
步骤(2)所述离心分离的时间为5～10min，离心速度为2000～4000r/min。
步骤(3)所述搅拌的时间为30～120min；所述洗涤的次数为2～5次。
步骤(3)所述干燥为真空干燥，干燥温度为50～100℃，干燥时间为6～10h。
步骤(3)过滤所得滤液用旋转蒸发仪去掉水和吡啶(共沸混合物)可回收离子液体。
本发明步骤(2)得到的纤维素溶液可用于纺丝或进行纤维素的均相衍生化反应。
本发明相对现有技术，具有如下的优点及有益效果：本发明采用的方法简单，工艺简便，通过一步法直接用离子液体溶解甘蔗渣中的纤维素而不用先提取纤维素再进行溶解，并通过加入吡啶降低溶液粘度以分离纤维素溶液；溶解速度快，木质素、半纤维素的存在几乎不影响纤维素的溶解；污染小，一是因为溶解的木质素、半纤维素为固体，不产生所谓的造纸黑液，二是使用的溶剂离子液体可以回收；溶解过程中由于吡啶的加入，体系粘度明显降低，既利于离心分离，又利于工业纺丝和纤维素均相衍生化；本发明节能环保，极大的扩大了农业废弃物的在利用和纤维素的使用范围，具有广大的应用前景。
附图说明
图1甘蔗渣纤维素的红外谱图，其中曲线a为未处理过的甘蔗渣；曲线b为活化后的甘蔗渣；曲线c为再生纤维素；曲线d为未溶蔗渣残渣。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将甘蔗渣粉碎后过80目筛(作为未经处理的甘蔗渣，测定其红外光谱图见图1曲线a)，用水浸泡2h、过滤，用质量百分比浓度为1％的氢氧化钠溶液活化10h，用去离子水冲洗pH至7，过滤，60℃真空干燥8h后，得到经预处理的甘蔗渣(作为活化后的甘蔗渣，测定其红外光谱图见图1曲线b)；
(2)向0.5g步骤(1)所得经预处理的甘蔗渣中加入4.5g离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，加热温度至80℃，保温3min后，边搅拌边加入0.11mol吡啶；在80℃下进行溶解反应90min，采用4000r/min的转速离心分离8min，得到纤维素溶液；测量得到甘蔗渣的溶解率为48％(测定未溶蔗渣残渣的红外光谱图见图1曲线d)；
(3)将步骤(2)所得纤维素溶液加到去离子水中，搅拌30min后过滤，得到滤渣；将滤渣用去离子水洗涤3次，50℃干燥10h，得到再生纤维素(测定再生纤维素的红外光谱图见图1曲线c)。
从图1所示四种蔗渣纤维素的红外谱图可见，曲线b较曲线a少了在1735cm-1处的峰，而此峰为半纤维素的特征峰。比较再生后的纤维素膜曲线c和用NaOH活化过的甘蔗渣曲线b的谱图，两者主要的区别就是用NaOH活化过的甘蔗渣在1509cm-1、1604cm-1处有明显的吸收峰，此两处是木质素中苯环的伸缩振动特征峰，而再生纤维素在这两处没有吸收峰。这说明离子液体能很好的提纯溶解甘蔗渣中的纤维素。
实施例2
(1)将甘蔗渣粉碎后过80目筛，再用水浸泡1h、过滤，用质量百分比浓度为20％的氢氧化钠溶液活化5h，用去离子水冲洗pH至7，过滤，100℃真空干燥12h后，得到经预处理的甘蔗渣；
(2)向1g步骤(1)所得经预处理的甘蔗渣中加入19g离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，加热温度至80℃，保温2min后，边搅拌边加入0.33mol吡啶吡啶；在70℃下进行溶解反应30min，采用2000r/min的转速离心分离10min，得到纤维素溶液；测量得到甘蔗渣的溶解率为40％；
(3)将步骤(2)所得纤维素溶液加到去离子水中，搅拌120min后过滤，得到滤渣；将滤渣用去离子水洗涤2次，100℃干燥6h，得到再生纤维素。
实施例3
(1)将甘蔗渣粉碎后过60目筛，再用水浸泡4h、过滤，用质量百分比浓度为15％的氢氧化钠溶液活化24h，用去离子水冲洗pH至7，过滤，80℃真空干燥10h后，得到经预处理的甘蔗渣；
(2)向1g步骤(1)所得经预处理的甘蔗渣中加入10g离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，加热温度至80℃，保温4min后，边搅拌边加入0.23mol吡啶；在100℃下进行溶解反应240min，采用3000r/min的转速离心分离5min，得到纤维素溶液；测量得到甘蔗渣的溶解率为44％；
(3)将步骤(2)所得纤维素溶液加到去离子水中，搅拌100min后过滤，得到滤渣；将滤渣用去离子水洗涤5次，80℃干燥10h，得到再生纤维素。
实施例4
(1)将甘蔗渣粉碎后过100目筛，再用水浸泡3h、过滤，用质量百分比浓度为0.5％的氢氧化钠溶液活化20h，用去离子水冲洗pH至7，过滤，60℃真空干燥9h后，得到经预处理的甘蔗渣；
(2)向0.5g步骤(1)所得经预处理的甘蔗渣中加入7.5g离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，加热温度至80℃，保温5min后，边搅拌边加入0.15mol吡啶；在90℃下进行溶解反应120min，采用2000r/min的转速离心分离10min，得到纤维素溶液；测量得到甘蔗渣的溶解率为44％；
(3)将步骤(2)所得纤维素溶液加到去离子水中，搅拌60min后过滤，得到滤渣；将滤渣用去离子水洗涤3次，70℃干燥7h，得到再生纤维素。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(1)将甘蔗渣粉碎后用水浸泡、过滤，用氢氧化钠溶液活化，用去离子水冲洗pH至7，过滤，干燥，得到经预处理的甘蔗渣；
(2)向步骤(1)所得经预处理的甘蔗渣中加入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，加热温度至80℃，保温2～5min后，边搅拌边加入吡啶；进行溶解反应，离心分离，得到纤维素溶液；所述经预处理的甘蔗渣和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的质量比为1∶9～1∶19；所述吡啶和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的摩尔比为3∶1～4.82∶1；
(3)将步骤(2)所得纤维素溶液加到去离子水中，搅拌后过滤，得到滤渣；将滤渣用去离子水洗涤，干燥，得到再生纤维素。
2、根据权利要求1所述的一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于：步骤(1)所述氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为0.5～20％；所述活化的时间为5～24h。
3、根据权利要求1所述的一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于：步骤(1)所述粉碎为粉碎至过60～100目筛；所述浸泡的时间为1～4h；所述干燥为真空干燥，干燥温度为60～100℃，干燥时间为8～12h。
4、根据权利要求1所述的一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)所述溶解反应的温度为70～100℃，反应时间为30min～240min。
5、根据权利要求1所述的一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)所述离心分离的时间为5～10min，离心速度为2000～4000r/min。
6、根据权利要求1所述的一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于：步骤(3)所述搅拌的时间为30～120min；所述洗涤的次数为2～5次。
7、根据权利要求1所述的一种溶解和提取甘蔗渣中纤维素的方法，其特征在于：步骤(3)所述干燥为真空干燥，干燥温度为50～100℃，干燥时间为6～10h。
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