CN101805807A - 近临界水中用AlCl3作催化剂水解含纤维素的植物废弃物的方法 - Google Patents
近临界水中用AlCl3作催化剂水解含纤维素的植物废弃物的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种近临界水中用AlCl3作催化剂水解含纤维素的植物废弃物的方法,该方法是以含纤维素的植物废弃物为原料,将原料粉碎至50~200目;然后与催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行反应;反应条件为:料液质量比为1~50∶200,反应温度为200~300℃,反应压力为1.8~5.0MPa,反应时间为1~10min,催化剂加入量为0.5~2.0mmol/l。本发明利用近临界水并借助金属盐催化剂水解农林废弃物与传统的酸水解相比,具有环境友好不产生废液废气等污染物,保护了环境,并能有效的实现农林废弃物的资源化利用,变废为宝。
Description
技术领域
本发明涉及一种含纤维素的植物废弃物资源化利用的方法,具体地说是涉及一种以农林废弃物为原料在AlCl3催化剂作用下经过近临界水解制备高附加值的化工原料和化工产品的方法。
背景技术
有限储量的化石燃料的减少、能源需求的不断增长以及化石燃料燃烧造成的环境污染和温室效应,使21世纪的能源面临巨大挑战,可再生能源将成为未来可持续发展能源系统的主体。生物质能源因其可再生性、二氧化碳零排放等良好的环境效应正日益受到重视。若将农林废弃物中的木质纤维素类生物质水解生成糖,醛、酸等化工原料,其中糖类化合物又可通过化学或生化反应转化成醇类生物燃料和化学品,这将成为人类社会可持续发展的保障。
农林废弃物是可再生资源,其开发利用已引起世界各国的高度关注。我国是一个农业大国,每年有10亿吨左右的种植业废弃物(秸秆、蒿草、壳蔓)被浪费掉。这些农业废弃物中含纤维素约40%~70%。仅农作物秸秆年产量就达6亿吨,这些秸秆中仅有一小部分被利用,大部分被废弃或随意焚烧,严重污染了环境,造成巨大的资源浪费。如果能从农业废弃物制取纤维素以及纤维素衍生物,将农业废弃物高值化,将可以推动我国农业的进步。
作为农林废弃物的主要成分——木质纤维素是世界上分布最广,产量最多的资源之一,据估算,每年能生产约1.5×1012t的纤维素;是自然界取之不尽、用之不竭的可再生资源。主要包括纤维素、半纤维素和木质素等。纤维素是木质纤维素类生物质的主要组成部分,约占其组分的50%。常用的纤维素水解方法是酸水解和酶水解。目前稀酸催化水解纤维素的技术已经比较完善,可以得到较高的反应速率和得糖率。但酸对反应设备的严重腐蚀性、对环境污染性以及反应完成之后废弃物的处理是该技术进一步推广应用的限制条件。酶法水解具有选择性高,反应条件温和,环境友好,设备简单等优点,但该法水解速度缓慢,酶价格昂贵,受环境温度影响很大,离大规模工业化生产仍有一定距离。因此探寻一种新型、高效、清洁的纤维素水解技术成为国内外专家学者们研究的热点。
近临界水技术是近年发展起来的一种高新技术,在环境保护领域具有广阔的应用前景,利用它可以将废水中难降解的有机污染物快速分解为小分子物质,如CO2、H2O等,并且分解完全,不会对环境造成任何二次污染。与传统的溶剂相比,近临界水不仅在生态、经济、安全等方面具有一定的优势,而且由于其密度、离子积和介电常数等可由压力和温度调节,是一种合适的反应介质,因此近临界水中的化学反应引起了广泛重视。
近临界水是指温度和压力低于水的临界点(374.2℃和22.1MPa)的高温液态水,近临界水对秸秆进行预处理和水解,是利用水在临界点附近时溶剂化能力突然增强,电离程度也突然增大(约比常温下高3个数量级)等性质,使秸秆中的纤维素溶解在近临界水中,实现与木质素的完全分离,并利用电离的H+作为催化剂进行水解。Garrote等在超临界和近临界水处理木质纤维原料的试验中发现,通过脱木质素作用、半纤维素降解和增大毛孔体积,能够增大原料的有效反应面积,能够改变纤维素的微结构,甚至破坏结晶结构等。Sasaki等研究发现在300℃下10s、350℃下2~4s、400℃下0.05s均可实现纤维素的100%转化,产物为低聚糖、葡萄糖及其分解产物等。但由于近临界条件下纤维素的水解速率比葡萄糖等的水解速率慢,因此水解产物中葡萄糖得率不高,而是生成很多糠醛、二羟基丙酮等葡萄糖的脱水或分解产物。朱道飞等在340~420℃、30~40MPa条件下,近临界和超临界水中纤维素液化实验研究表明,稳定产物的主要成分是糠醛、5-甲基糠醛、5-羟甲基糠醛和一些含甲基、羟基、羟甲基等官能团的酮类、苯酚类化合物。由此可见,超临界条件下纤维素在极短时间内即可完成水解并获得低聚糖、葡萄糖等产物,但葡萄糖在超临界水中的分解反应速率也很大,迅速分解为不能进行乙醇发酵的赤藓糖、糠醛等物质,因此无法获得高产率的以葡萄糖为主的可发酵糖。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种农林废弃物在金属盐催化剂作用下在近临界水中水解制取可发酵糖、有机酸和5-羟甲基糠醛等高附加值的化工原料和化工产品的方法,以解决现行酸水解技术中能耗大,环境污染严重等问题;并筛选一种高效的金属盐催化剂用于农林废弃物近临界水解反应中去,以解决现行超临界水解纤维素过程中葡萄糖得率低等问题。
本发明的构思为:农林废弃物在超/近临界水条件下的水解反应,其基本原理是利用水在超/近临界条件下,其离子积有显著的增加,能够电离出高浓度的H+这一特性,农林废弃物在H+催化作用下降解为低聚糖、葡萄糖、果糖以及小分子的有机酸和5-HMF的等高附加值的产物。这项技术在原理上是比较清楚的。但是需要降低过程成本,提高糖的得率,才能促进该技术的产业化应用。降低成本主要环节在于:降低过程中的能量消耗、降低过程中的设备投资和维护成本及排放的废水的利用。提高糖的得率,其关键是选择高效的催化剂及优化工艺条件。
本发明设想采用在较低的温度和压力下进行水解反应,有效的降低水解反应能耗,及反应容器的成本,选用高效催化剂,提高糖的得率。
发明人发现,在水中若不加入任何的催化剂,要想得到葡萄糖、乙酸和5-羟甲基糠醛等高附加值的产品,需要在反应温度为350~500℃,反应压力10~30MPa极为苛刻的条件下才能得到较高产率的目标产物,这样就大大增加了过程的设备成本和操作成本。从经济可行性方面考虑,很难实现工业化的应用和推广。如果选择一种金属盐催化剂,能够在保证并提高目标产物的得率的基础上,使反应温度降低50%左右,反应压力控制在中低压范围之内,从而有效的降低设备的投资成本和操作成本;并且通过加入金属盐催化剂在一定程度上也抑制了高温高压水对设备的腐蚀,同时显著的降低了水解过程中的能耗,将具有巨大的经济意义和工业化前景。
本发明方法的具体包括如下步骤:
a)以含纤维素的植物废弃物为原料,原料包括含纤维素的农业废弃物、林业废弃物、林业加工废弃物、水生植物、能源作物、生活中纤维素类废弃物或者生物质的其他派生物。在上述原料中任选一种,将它放在粉碎机中粉碎,粉碎至粒度为50-200目的颗粒。
b)将上述颗粒与一定量的催化剂和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先需用氮气对釜体及管线进行扫气、清空和检漏;
c)通电加热,使近临界水反应釜中的原料进行水解反应;水解反应工艺控制在:料液比:1~50∶200(质量比),反应温度:200℃~300℃,反应压力:1.8MPa~5.0MPa,反应时间为:1min~10min,催化剂AlCl3加入量为:0.5~2.0mmol/l。
上述方法中,所述的料液质量比为1~10∶200。
上述方法中,所述的含纤维素的植物废弃物为花生壳、玉米芯、甘蔗渣、柳树木屑、梧桐树干木屑中的一种。
反应后可得到葡萄糖得率:10wt.%~25wt.%,乙酸得率:15wt.%~35wt.%,5-羟甲基糠醛得率:10wt.%~25wt.%,反应后水解液的HPLC分析测试图见附图1。
本发明利用近临界水并借助金属盐催化剂水解农林废弃物与传统的酸水解相比,具有环境友好不产生废液废气等污染物,保护了环境,并能有效的实现农林废弃物的资源化利用,变废为宝。促进了农林废弃物水解制备燃料乙醇的工业化发展,对建立可持续发展的能源系统和保护生态环境具有重大的意义。
附图说明
图1为含纤维素的植物废弃物在有催化体系和无催化体系下经近临界水解反应后液体产物的HPLC分析测试图(A-有AlCl3B-无AlCl3)。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步地说明,但不影响本发明的保护范围。
实施例1
(1)选取10g花生壳(干燥后)为原料,首先用高速粉碎机将其粉碎至50目左右颗粒;
(2)将上述颗粒与一定量的催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先用氮气对釜体及管线进行扫线、清空和检漏;
(3)取2g花生壳颗粒送至容积为270ml的反应釜中,通电加热,使近临界水反应釜中的花生壳发生水解反应;反应温度控制在200℃,反应压力为1.8MPa,催化剂AlCl3加入量为40mg,反应时间为2min。
最终得到水解液用HPLC进行分析其中的葡萄糖、5-HMF和乙酸的产率,本实施例中各个组分的得率及选择性如表1所示:
表1花生壳水解液中各组分得率
组分 | 乙酸 | 乳酸 | 木糖 | 葡萄糖 | 果糖 | 1,6-脱水葡萄糖苷 | 5-HMF |
得率/% | 13.82 | 6.42 | 4.70 | 21.28 | 10.25 | 8.26 | 2.25 |
选择性/% | 24.54 | 11.40 | 8.35 | 37.79 | 18.20 | 14.67 | 3.99 |
实施例2
(1)选取10g玉米芯(干燥后)为原料,首先用高速粉碎机将其粉碎至100目左右颗粒;
(2)将上述颗粒与一定量的催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先用氮气对釜体及管线进行扫线、清空和检漏;
(3)取2g玉米芯颗粒送至容积为270ml的反应釜中,通电加热,使近临界水反应釜中的玉米芯发生水解反应;反应温度控制在220℃,反应压力为:2.0MPa,催化剂AlCl3加入量为60mg,反应时间为3min。
最终得到水解液用HPLC进行分析其中的葡萄糖、5-HMF和乙酸的产率,本实施例中各个组分的得率及选择性如表2所示:
表2玉米芯水解液中各组分得率
组分 | 乙酸 | 乳酸 | 木糖 | 葡萄糖 | 果糖 | 1,6-脱水葡萄糖苷 | 5-HMF |
得率 | 34.25 | 12.14 | 7.12 | 11.46 | 9.56 | 16.78 | 5.36 |
选择性 | 36.30 | 12.87 | 7.55 | 12.15 | 10.13 | 17.78 | 5.68 |
实施例3
(1)选取10g甘蔗渣(干燥后)为原料,首先用高速粉碎机将其粉碎至150目左右颗粒;
(2)将上述颗粒与一定量的催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先用氮气对釜体及管线进行扫线、清空和检漏;
(3)取2g甘蔗渣颗粒送至容积为270ml的反应釜中,通电加热,使近临界水反应釜中的甘蔗渣发生水解反应;反应温度控制在250℃,反应压力为3.8MPa,催化剂AlCl3加入量为:120mg,反应时间为3min。
最终得到水解液用HPLC进行分析其中的葡萄糖、5-HMF和乙酸的产率,本实施例中各个组分的得率及选择性如表3所示:
表3甘蔗渣水解液中各组分得率
组分 | 乙酸 | 乳酸 | 木糖 | 葡萄糖 | 果糖 | 1,6-脱水葡萄糖苷 | 5-HMF |
得率 | 10.78 | 8.69 | 10.25 | 29.78 | 11.64 | 9.63 | 14.58 |
选择性 | 11.04 | 8.90 | 10.50 | 30.50 | 11.92 | 9.86 | 14.93 |
实施例4
(1)选取10g柳树木屑(干燥后)为原料,首先用高速粉碎机将其粉碎至200目左右颗粒;
(2)将上述颗粒与一定量的催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先用氮气对釜体及管线进行扫线、清空和检漏;
(3)取2g木屑颗粒送至容积为270ml的反应釜中,通电加热,使近临界水反应釜中的柳树木屑发生水解反应;反应温度控制在260℃,反应压力为4.0MPa,催化剂AlCl3加入量为:70mg,反应时间为4min。
最终得到水解液用HPLC进行分析其中的葡萄糖、5-HMF和乙酸的产率,本实施例中各个组分的得率及选择性如表4所示:
表4柳树木屑水解液中各组分得率
组分 | 乙酸 | 乳酸 | 木糖 | 葡萄糖 | 果糖 | 1,6-脱水葡萄糖苷 | 5-HMF |
得率 | 23.68 | 12.54 | 8.62 | 10.45 | 8.63 | 14.23 | 5.27 |
选择性 | 23.68 | 12.54 | 8.62 | 10.45 | 8.63 | 14.23 | 5.27 |
实施例5
(1)选取10g梧桐树干木屑(干燥后)为原料,首先用高速粉碎机将其粉碎至100目左右颗粒;
(2)将上述颗粒与一定量的催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先用氮气对釜体及管线进行扫线、清空和检漏;
(3)取2g木屑颗粒送至容积为270ml的反应釜中,通电加热,使近临界水反应釜中的梧桐树干木屑发生水解反应;反应温度控制在290℃,反应压力为:4.8MPa,催化剂AlCl3加入量为100mg,反应时间为2.5min。
最终得到水解液用HPLC进行分析其中的葡萄糖、5-HMF和乙酸的产率,本实施例中各个组分的得率及选择性如表5所示:
表5梧桐木屑水解液中各组分得率
组分 | 乙酸 | 乳酸 | 木糖 | 葡萄糖 | 果糖 | 1,6-脱水葡萄糖苷 | 5-HMF |
得率 | 19.16 | 11.25 | 12.58 | 14.54 | 14.20 | 11.04 | 6.27 |
选择性 | 20.71 | 12.16 | 13.60 | 15.71 | 15.35 | 11.93 | 6.78 |
实施例6
(1)选取10g花生壳、10g玉米芯、10g甘蔗渣、10g柳树木屑和10g梧桐树木屑为原料,分别用高速粉碎机将其粉碎至200目左右颗粒,然后将它们充分均匀混合;
(2)将上述混合颗粒与一定量的催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先用氮气对釜体及管线进行扫线、清空和检漏;
(3)取2g混合颗粒送至容积为270ml的反应釜中,通电加热,使近临界水反应釜中的混合颗粒发生水解反应;反应温度控制在300℃,反应压力为5.0MPa,催化剂AlCl3加入量为90mg,反应时间为3min。
最终得到水解液用HPLC进行分析其中的葡萄糖、5-HMF和乙酸的产率,本实施例中各个组分的得率及选择性如表6所示:
表6混合生物质水解液中各组分得率
组分 | 乙酸 | 乳酸 | 木糖 | 葡萄糖 | 果糖 | 1,6-脱水葡萄糖营 | 5-HMF |
得率 | 18.26 | 7.54 | 10.32 | 14.41 | 11.02 | 9.87 | 2.05 |
选择性 | 20.15 | 8.32 | 11.39 | 15.90 | 12.16 | 10.89 | 2.26 |
Claims (4)
1.一种近临界水中用AlCl3作催化剂水解含纤维素的植物废弃物的方法,其特征在于该方法包括以下具体的工艺过程和操作步骤:
1)以含纤维素的植物废弃物为原料,将原料放在粉碎机中粉碎至50~200目粒度颗粒;
2)将上述颗粒与金属盐催化剂AlCl3和纯水混合送至近临界水反应釜中进行水解;事先需用氮气对釜体及管线进行扫气、清空和检漏;
3)通电加热,使近临界水反应釜中的原料进行水解反应;反应条件为:料液质量比为1~50∶200,反应温度为200~300℃,反应压力为1.8~5.0MPa,反应时间为1~10min,催化剂加入量为0.5~2.0mmol/l。
2.按权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的料液质量比为1~10∶200。
3.按权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的含纤维素的植物废弃物为含纤维素的农业废弃物、林业废弃物、林业加工废弃物、水生植物、能源作物、生活中纤维素类废弃物以及生物质的其他派生物中的一种。
4.按权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的含纤维素的植物废弃物为花生壳、玉米芯、甘蔗渣、柳树木屑、梧桐树干木屑中的一种。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100818 |