CN102146017A - 一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法 - Google Patents

一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法 Download PDF

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本发明公开了一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法。本发明的优点是利用汽爆技术破坏植物致密组织的结构，增加液化剂与秸秆的接触面积，有利于液化剂的渗透反应，提高液化效率。另外，采用纤维素和木质素分别液化的方式，有利于控制液化条件和液化产物的分子量以及可反应的官能团含量，避免纤维素和木质素因液化温度不一致，造成液化产物再聚合的现象，提高了液化产物的得率。

Description

一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法
技术领域
本发明属于生物质综合利用领域，特别涉及一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法。
背景技术
开发产量巨大，可再生，可生物降解的环境友好型生物质原料，尤其是秸秆类木质纤维素原料，对保护环境和保证经济可持续发展具有重要意义。木质纤维素类生物质原料的主要成份为纤维素，半纤维素和木质素，含有大量以羟基为代表的活性集团，但由于结构中大量存在的纤维素的晶体结构，一般认为木质纤维素类生物质是难溶，难熔的天然复合材料，难以通过加热和加压等方式进行加工，因而影响了木质纤维素生物质资源的利用和回收。近些年来，有人开始研究用多元醇等有机溶剂来液化木质纤维素类原料，将固态的木质纤维素原料降解成具有反应活性的液态小分子，用来制备新的高分子材料，如胶黏剂，注模塑料，泡沫塑料，纤维材料等，具有广泛的应用前景。
专利200810198719.5公开了一种植物纤维基聚醚多元醇及其制备方法。该方法利用未经预处理植物纤维原料液化生产聚醚多元醇。所生产的聚醚多元醇可用于生产保温隔热作用的聚氨酯硬泡。但是由于植物秸秆细胞壁结构非常紧密，液化试剂很难渗透到植物纤维原料。因此，该方法需要分批补料液化，以提高液化产物得率，从而使反应时间增加。另外，不同的木质纤维素类生物质原料中纤维素，半纤维素和木质素的含量是不同的，这给木质纤维素生物质混合液化带来了困难。有研究表明，将纤维素和木质素在相同条件下分别液化，在液化后期并不出现缩聚反应，而当纤维素和木质素混合物在醇中液化时，液化后期会出现再缩聚反应，生成不溶于醇的的液化残渣。专利200910193436.6公开了一种木质素聚氨酯及其制备方法。该方法将秸秆生产燃料乙醇的残渣中NaOH抽提分离出的木质素用有机溶剂溶解，再经过环氧化物改性后，溶解于多元醇中。该方法所用的木质素反应活性高，可制成木质素聚氨酯材料。这说明从生物质原料中分离出木质素后，再进行多元醇液化，制备的液化产物更适用于后续的加工利用。
基于上述分析，本发明首先利用蒸汽爆破(简称汽爆)处理秸秆，以增加秸秆物料与液化剂的反应面积，提高液化剂的可及性。汽爆技术是目前木质纤维素原料预处理中广泛采用的方法。其原理是通过用一定压力的水蒸气等介质对植物进行爆破，利用以蒸汽形式出现的热量，由水蒸汽膨胀引起的剪切力以及糖苷键水解的共同作用达到破坏细胞壁结构的目的。其次，本发明用稀碱液(浓度0.2％～2％)分离汽爆秸秆中的纤维素和木质素，并在不同的液化条件下对两者分别液化，从而提高生物质多元醇的得率和品质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法。首先，利用汽爆技术破坏植物致密组织的结构，增加液化剂与秸秆的接触面积，同时在汽爆的高温高压以及瞬时泄压的作用下，秸秆中的半纤维素被降解，避免其在液化时发生氧化反应，形成羧酸，从而使液化产物组成变得复杂，降低生物质多元醇的质量。其次，本发明采用纤维素和木质素分别液化的方式，有利于控制液化条件和液化产物的分子量以及可反应的官能团含量。避免纤维素和木质素因液化温度不一致，造成液化产物再聚合的现象，提高液化产物的得率。
本发明的技术方案如下：
一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)汽爆秸秆的制备：
首先将秸秆(含水量小于5％)切成3-5cm的碎块。称取100g秸秆碎块，加入150ml自来水，并混合均匀。将湿物料送入汽爆罐中，在0.8MPa～1.3Mpa的蒸汽压力下维压1min～4min后卸料。汽爆后的物料干燥后备用。
其中所述的秸秆包括玉米秸秆，小麦秸秆，稻秆，玉米芯，芒草。
(2)汽爆秸秆中纤维素和木质素的组分分离；
在汽爆秸秆中加入0.2％～2％的碱液在70℃～90℃下处理1h～2h，汽爆秸秆质量(g)和碱液体积(ml)的比例为1∶10～1∶20。反应结束进行固液分离。得到的固形物即为汽爆秸秆纤维素。得到的过滤液经过超滤膜浓缩后得到汽爆秸秆木质素。
其中，步骤(1)所述的碱液是由NaOH、KOH、Na2SO3和Na2S中一种或几种的水溶液。；所述的超滤膜为聚砜膜，截留分子量为6000。
(3)汽爆秸秆纤维素液化制备生物质多元醇：
将步骤(2)得到的汽爆秸秆纤维素烘干后，加入液化剂和催化剂，在150℃～180℃下反应1h～2h，其中液化剂和汽爆秸秆纤维素的质量比为1∶1～3∶1。反应结束后调节液化物pH至6～7，过滤去除液化物中的残渣，得到的液体即为生物质多元醇。
(4)汽爆秸秆木质素液化制备生物质多元醇：
将步骤(2)得到的汽爆秸秆木质素烘干后，加入液化剂和催化剂，在110℃～140℃下反应0.5h～1.5h，其中液化剂和汽爆秸秆木质素的质量比为1∶2～2∶1。反应结束后调节液化物pH至6～7，过滤去除液化物中的残渣，得到的液体即为生物质多元醇。
其中，步骤(3)和步骤(4)中所述的所述的液化剂为聚乙二醇200，聚乙二醇400，聚乙二醇600，聚乙二醇800，聚乙二醇1000，乙二醇，丙三醇和二乙二醇中的一种或几种；所述的催化剂是无机酸，优选硫酸、盐酸和磷酸中的一种；催化剂与液化剂的质量比为1∶100～1∶300。
本发明具有下述优点：第一，本发明采用汽爆预处理秸秆有效的破坏了生物质的组织结构，液化试剂容易与秸秆中的纤维素和木质素反应，提高液化效率。第二，采用纤维素和木质素分别液化的方式避免了因两者液化条件不一致造成液化产物组成复杂，不利用后续的加工利用的难题。
附图说明
图1是本发明的技术路线图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
表1实施例1～3的汽爆秸秆纤维素的液化工艺参数
表2实施例1～3的汽爆秸秆木质素的液化工艺参数
实施例1
将玉米秸秆(含水量小于5％)切成3-5cm的碎块。称取200g玉米秸秆碎块，加入300ml自来水，并混合均匀。将湿物料送入汽爆罐中，在11Mpa的蒸汽压力下维压4min后卸料。汽爆后的物料干燥后备用。
取100g汽爆秸秆，加入2L 0.2％的碱液在90℃下处理1h。反应结束进行固液分离。得到的固形物即为汽爆秸秆纤维素，烘干后含量为50g。得到的过滤液经过超滤膜浓缩后得到汽爆秸秆木质素，烘干后含量为30g。
在三口瓶中加入25g聚乙二醇400和25g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入50g汽爆秸秆纤维素和0.5g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀。继续升温至150℃并保温1h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的70％，液化产物的羟值为310mg氢氧化钾/g，粘度为1280mPa·s。
在三口瓶中加入15g聚乙二醇400和15g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入30g汽爆秸秆木质素和0.15g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀，继续升温至110℃并保温0.5h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的78％，液化产物的羟值为230mg氢氧化钾/g，粘度为1220mPa·s。
实施例2
本实施例中制备汽爆秸秆纤维素和汽爆秸秆木质素的方法和步骤同实施例1。.
本实施例中利用汽爆秸秆纤维素液化制备生物质多元醇的步骤同实施例1基本相同，不同之处在于：汽爆秸秆纤维素与液化剂质量之比为1∶2，所用的聚乙二醇400和甘油的质量之比为1∶3，催化剂(硫酸)和液化剂的质量比为1∶200，液化温度为165℃，液化时间为1.5h(见表1)。测得液化产物的质量占物料总添加量的83％，液化产物的羟值为410mg氢氧化钾/g，粘度为2000mPa·s。
本实施例中利用汽爆秸秆木质素液化制备生物质多元醇的步骤同实施例1基本相同，不同之处在于：汽爆秸秆木质素与液化剂质量之比为1∶2，所用的聚乙二醇400和甘油的质量之比为1∶3，催化剂(硫酸)和液化剂的质量比为1∶200，液化温度为125℃，液化时间为0.75h(见表2)。测得液化产物的质量占物料总添加量的95％，液化产物的羟值为390mg氢氧化钾/g，粘度为1840mPa·s。
实施例3
本实施例中制备汽爆秸秆纤维素和汽爆秸秆木质素的方法和步骤同实施例1。.
本实施例中利用汽爆秸秆纤维素液化制备生物质多元醇的步骤同实施例1基本相同，不同之处在于：汽爆秸秆纤维素与液化剂质量之比为1∶3，所用的聚乙二醇400和甘油的质量之比为1∶6，催化剂(硫酸)和液化剂的质量比为1∶300，液化温度为180℃，液化时间为2h(见表1)。测得液化产物的质量占物料总添加量的85％，液化产物的羟值为430mg氢氧化钾/g，粘度为2050mPa·s。
本实施例中利用汽爆秸秆木质素液化制备生物质多元醇的步骤同实施例1基本相同，不同之处在于：汽爆秸秆木质素与液化剂质量之比为1∶3，所用的聚乙二醇400和甘油的质量之比为1∶6，催化剂(硫酸)和液化剂的质量比为1∶300，液化温度为140℃，液化时间为1.5h(见表2)。测得液化产物的质量占物料总添加量的80％，液化产物的羟值为280mg氢氧化钾/g，粘度为1700mPa·s。
实施例4
将小麦秸秆(含水量小于5％)切成3-5cm的碎块。称取200g小麦秸秆碎块，加入300ml自来水，并混合均匀。将湿物料送入汽爆罐中，在0.8Mpa的蒸汽压力下维压1min后卸料。汽爆后的物料干燥后备用。
取100g汽爆秸秆，加入2L 0.5％的碱液在70℃下处理2h。反应结束进行固液分离。得到的固形物即为汽爆秸秆纤维素，烘干后含量为60g。得到的过滤液经过超滤膜浓缩后得到汽爆秸秆木质素，烘干后含量为25g。
在三口瓶中加入30g聚乙二醇400和30g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入60g汽爆秸秆纤维素和0.6g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀。继续升温至165℃并保温1.5h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的85％，液化产物的羟值为350mg氢氧化钾/g，粘度为1720mPa·s。
在三口瓶中加入12.5g聚乙二醇400和12.5g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入25g汽爆秸秆木质素和0.5g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀，继续升温至120℃并保温1h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的85％，液化产物的羟值为355mg氢氧化钾/g，粘度为1750mPa·s。
实施例5
将稻杆(含水量小于5％)切成3-5cm的碎块。称取200g稻杆碎块，加入300ml自来水，并混合均匀。将湿物料送入汽爆罐中，在1.3Mpa的蒸汽压力下维压2min后卸料。汽爆后的物料干燥后备用。
取100g汽爆秸秆，加入2L 1％的碱液在80℃下处理1.5h。反应结束进行固液分离。得到的固形物即为汽爆秸秆纤维素，烘干后含量为65g。得到的过滤液经过超滤膜浓缩后得到汽爆秸秆木质素，烘干后含量为20g。
在三口瓶中加入50g聚乙二醇400和20g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入65g汽爆秸秆纤维素和1g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀。继续升温至165℃并保温1.5h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的85％，液化产物的羟值为340mg氢氧化钾/g，粘度为1690mPa·s。
在三口瓶中加入20g聚乙二醇400和10g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入20g汽爆秸秆木质素和0.5g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀，继续升温至120℃并保温1h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的85％，液化产物的羟值为330mg氢氧化钾/g，粘度为1450mPa·s。
实施例6
将玉米芯(含水量小于5％)切成3-5cm的碎块。称取200g玉米芯碎块，加入300ml自来水，并混合均匀。将湿物料送入汽爆罐中，在1.3Mpa的蒸汽压力下维压4min后卸料。汽爆后的物料干燥后备用。
取100g汽爆秸秆，加入2L，2％的碱液在80℃下处理1.5h。反应结束进行固液分离。得到的固形物即为汽爆秸秆纤维素，烘干后含量为50g。得到的过滤液经过超滤膜浓缩后得到汽爆秸秆木质素，烘干后含量为20g。
在三口瓶中加入25g聚乙二醇400和25g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入50g汽爆秸秆纤维素和0.5g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀。继续升温至165℃并保温1.5h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的75％，液化产物的羟值为288mg氢氧化钾/g，粘度为1310mPa·s。
在三口瓶中加入20g聚乙二醇400和10g甘油液化剂，放入油浴锅中加热到80℃时，向三口瓶中加入20g汽爆秸秆木质素和0.5g硫酸，并用搅拌桨将物料混合均匀，继续升温至120℃并保温1h。反应结束后，冷却三口瓶至室温，用3％的NaOH溶液调节液化产物的pH至6～7，接着用80目的筛子过滤得到液化产物。测得液化产物的质量占物料总添加量的85％，液化产物的羟值为320mg氢氧化钾/g，粘度为1400mPa·s。

Claims (6)

1.一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)汽爆秸秆中纤维素和木质素的组分分离；在汽爆秸秆中加入0.2％～2％的碱液在70℃～90℃下处理1h～2h，汽爆秸秆质量(g)和碱液体积(ml)的比例为1∶10～1∶20，反应结束进行固液分离，得到的固形物即为汽爆秸秆纤维素，得到的过滤液经过超滤膜浓缩后得到汽爆秸秆木质素；
(2)汽爆秸秆纤维素液化制备生物质多元醇：将步骤(1)得到的汽爆秸秆纤维素烘干后，加入液化剂和催化剂，在150℃～180℃下反应1h～2h，其中液化剂和汽爆秸秆纤维素的质量比为1∶1～3∶1，反应结束后调节液化物pH至6～7，过滤去除液化物中的残渣，得到的液体即为生物质多元醇；
(3)汽爆秸秆木质素液化制备生物质多元醇：将步骤(1)得到的汽爆秸秆木质素烘干后，加入液化剂和催化剂，在110℃～140℃下反应0.5h～1.5h，其中液化剂和汽爆秸秆木质素的质量比为1∶2～2∶1，反应结束后调节液化物pH至6～7，过滤去除液化物中的残渣，得到的液体即为生物质多元醇。
2.根据权利要求1所述的一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法，其特征在于，步骤(1)所述的秸秆包括玉米秸秆，小麦秸秆，稻秆，玉米芯，芒草。
3.根据权利要求1所述的一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法，其特征在于，步骤(1)所述的碱液是由NaOH、KOH、Na2SO3和Na2S中一种或几种的水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)所述的液化剂为聚乙二醇200，聚乙二醇400，聚乙二醇600，聚乙二醇800，聚乙二醇1000，乙二醇，丙三醇，二乙二醇中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中所述的催化剂是无机酸，催化剂与液化剂的质量比为1∶100～1∶300。
6.根据权利要求1所述的一种汽爆秸秆纤维素和木质素液化制备生物质多元醇的方法，其特征在于，催化剂是硫酸、盐酸和磷酸中的一种；催化剂与液化剂的质量比为1∶100～1∶300。
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