CN102212695A - 一种秸秆炼制金属及多联产利用的方法 - Google Patents

Abstract

秸秆炼制金属及多联产的方法，属于木质纤维素生物质原料资源化应用领域，包括以下步骤：将秸秆粉碎或者汽爆，然后加入水或稀酸中，经过浸泡或者搅拌提取，然后分离得到含有矿物质离子的溶液，溶液通过离子交换树脂或者萃取纯化其中的金属离子。本发明可以在原有生物质预处理工艺的基础上实现，在扩展植物生物质资源化应用领域以达到多联产的同时，避免了金属离子导致的发酵中抑制酶活性，直燃发电中炉膛烧结及液化制备生物油中产量低品质不高的问题。

Description

一种秸秆炼制金属及多联产利用的方法

【技术领域】

本发明属于木质纤维素生物质原料资源化应用领域，特别涉及到秸秆炼制金属及其多联产的方法。

【背景技术】

为解决环境污染问题、石油产量日益减少后能源及材料问题，及提高农民收入的问题，生物质资源化应用成为研究和应用领域的焦点。生物质的资源化方向主要包括肥料、饲料、燃料、材料。

在各个应用方向中，一方面由于各种转化方式本身成本高而难以实现工业化，另一方面由于生物质单一成分的单一产品转化应用，导致转化效益低，从而阻碍了生物质产业的发展。

秸秆中含有0.8～1.2％的钾、0.4～0.6％的镁，目前的研究应用只是将钾作为肥料，附加值较低。秸秆经无污染、高效能、易操作的汽爆处理后，水洗液中钾离子的浓度可以控制在0.04～0.1％，镁的浓度可以控制在0.017～0.043％。如能将其提纯转化，将拓展植物生物质资源转化的一条新途径，提高生物质的副产值，促进植物生物质的工业化发展。

此外，生物质能源化利用是目前生物质转化的主要方向。转化的方式包括直燃发电、发酵生产可燃小分子以及热裂解三种方式，而生物质矿物质对三种转化方式都有阻碍作用。在直燃发电过程中，生物质中的矿物质，尤其是钾的存在，使得生物质在炉膛燃烧中与所含有的氯形成氯化钾积灰，或者与流化床材料石英砂反应生成低温共熔混合物，进而结块沉积，一方面增加了炉膛热传导阻力，降低热转化效率，另一方面形成的积灰或沉积腐蚀锅炉材料，缩短炉膛的使用寿命。在生物质发酵生产可燃小分子过程中，尤其是在糖化阶段，矿物质的存在，比如钾、镁、钙、铜、锰会降低纤维素酶的活性，从而增加酶用量导致乙醇转化成本上升。在生物质热解制备液体燃料和高附加值化学品中，矿物质的存在使得生物油的收率降低，并使生物油中酸性物质增加从而降低热解油的品质。因此在生物质能源化利用过程中，如果能将其中的矿物质通过高效、经济、清洁、可操作的方式提取，将会促进生物质的资源化利用，从而推动生物质产业、生物基产品化工业的发展。

由此可见，从生物质中提取矿物质，可增加生物质副产品价值达到多联产，促进生物质高值化的应用，推动绿色工业的发展。

【发明内容】

本发明的首要目的是通过提取生物质中的矿物质，并将其转化为产品，从而提高生物质的应用价值，从而促进生物质产业化的发展。

本发明可同时解决的第二个技术问题是提出一种解决生物质直燃发电过程中由于钾的存在导致的炉膛壁传热阻力大，炉膛寿命短的问题，通过提取生物质中的矿物质，从而降低生物质的灰熔点，避免积灰结渣的生成。

本发明同时解决的第三个技术问题是提出一种解决生物质酶解过程中，矿物质对纤维素酶的抑制问题，通过提取矿物质，从而降低其对纤维素酶的抑制，提高转化率或者减少酶的用量。

本发明同时解决的第四个技术问题是提出一种解决生物质热裂解过程中，矿物质减少生物油产量，并降低生物油品质的问题。

本发明的主要步骤如下：

(1)、秸秆粉碎或者汽爆处理

将秸秆用粉碎机进行粉碎，粉碎的粒径小于0.5cm；或者将物料剪切成10cm左右，然后进行汽爆，汽爆的条件为：0.5～1.5MPa，维压时间0.5～5min，从而得到粉碎料或者汽爆料。

(2)、提取

取(1)所得的粉碎料或者汽爆料100g，加入到500～2000mL水或稀酸中，浸泡或者搅拌10～60min，水温15～50℃。

(3)、分离

将(2)所得的提取混合物通过离心或者过滤的方式将固液分离，所得上清液即为提取液。

(4)、纯化

将(3)中所得的提取液中的钾离子通过离子交换法纯化，镁离子可以通过离子交换或者萃取纯化，纯化后得到钾和镁的盐溶液。

(5)、浓缩

将(4)得到的纯化后盐溶液，进行浓缩结晶，得到相应的产品。

采用本发明所提供的生物质提取矿物质的方法，其优点在于：

1.以秸秆为原料炼制金属，是一种绿色清洁工艺。

2.秸秆炼制金属在扩展秸秆的应用领域，提高其资源化利用价值已达到多联产的同时，解决了发酵中纤维素酶抑制问题、直燃发电中炉膛结焦问题、快速热解中生物油得率低品质不高的问题。

3.秸秆炼制金属可在现有的生物质转化工艺的基础上实现多联产，无需外加操作单元。因为对于现在的直燃发电和液化制备生物油技术，若先将生物质进行发酵，充分利用其中的纤维素、半纤维素，然后将剩余的木质素直燃发电或液化制备生物油，可增加生物质资源化应用的产值，因此具有一定的发展前景，而发酵前是要进行秸秆粉碎，并加入一定的水，因而可在此过程实现生物质提取矿物质的目的。尤其是对于汽爆物料的生物转化过程，在汽爆后，为了将汽爆后的各组分分离，一般先通过水洗，也可以同时提取矿物质。

4.提取的金属离子混合液纯化工艺简单，成本低。

【具体实施方式】

实施例1

玉米秸秆粉碎取40～80目的物料100g，加入2000mL水，50℃，搅拌30min，过滤分离，得到含有金属离子的溶液1756mL，经等离子发射光谱仪检测，其中钾的浓度为654μg/mL，镁的浓度为285μg/mL，将得到的提取液先通过阴离子交换树脂，将其中的镁与树脂上的氢氧根反应得到沉淀，再将其通过强酸型阳离子交换树脂，将其中的钾吸附到树脂上，洗脱后，可回收其中30％的镁离子，85％的钾离子，得到氢氧化镁沉淀和氯化钾溶液，后者通过浓缩得到相应的晶体。

实施例2

稻草剪切到长约10cm，取200g，放入汽爆罐中，1.0MPa，维压3min，汽爆，取得到的汽爆料50g，加入1000mL水，常温搅拌20min，过滤分离，得到含有金属离子的溶液746mL，经等离子发射光谱仪检测，其中钾的浓度为510μg/mL，镁的浓度为222μg/mL，将得到的提取液先用磷酸二(2-乙基乙基酯)与磺化煤油组成的有机溶液萃取，得到萃余液再经过强酸型阳离子交换树脂，可回收其中35％的镁离子，80％的钾离子，最终的到氯化镁和氯化钾溶液，两者都可以通过浓缩得到晶体。

实施例3

麦草粉碎取40～80目的物料40g，加入2％稀盐酸600mL，50℃，搅拌40min，过滤分离，得到含有金属离子的溶液600mL，经等离子发射光谱仪检测，其中钾的浓度为667μg/mL，镁的浓度为300μg/mL，将得到的提取液先通过阴离子交换树脂，将其中的镁与树脂上的氢氧根反应形成沉淀，再将其通过强酸型阳离子交换树脂，将其中的钾吸附到树脂上，洗脱后，可回收其中33％的镁离子，83％的钾离子，得到氢氧化镁沉淀和氯化钾溶液，后者可经浓缩得到晶体。

实施例4

高粱秸秆剪切到长约10cm，取200g，放入汽爆罐中，1.5MPa，维压5min，汽爆，将得到的汽爆料50g，加入1000mL水，常温搅拌20min，过滤分离，得到含有金属离子的溶液746mL，经等离子发射光谱仪检测，其中钾的浓度为500μg/mL，镁的浓度为230μg/mL，将得到的提取液先用磷酸二(2-乙基乙基酯)与磺化煤油组成的有机溶液萃取，得到萃余液再经过强酸型阳离子交换树脂，可回收其中32％的镁离子，86％的钾离子，最终的到氢氧化镁沉淀和氯化钾溶液，其中氯化钾溶液可经浓缩得到晶体。

Claims (5)

1.一种由秸秆提取矿物质的方法，其步骤如下：

(1).将秸秆进行粉碎或者汽爆处理，得到粉碎料或者汽爆料；

(2).向(1)得到的粉碎料或汽爆料中添加水或稀酸，通过浸泡或者搅拌方式提取生物质中的矿物质，得到提取混合物；

(3).对(2)中得到的提取混合物进行分离纯化，得到矿物质沉淀或溶液；

(4).对(3)中得到的矿物质溶液进行浓缩结晶。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是：所用的原料包括：玉米秸秆、高粱秸秆、麦草、稻草。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是：汽爆条件为：0.5～1.5MPa，维压时间0.5～5min。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是：所得到的矿物质溶液浓度范围是：50～2000μg/mL。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是：所用的分离纯化方式为离子交换法或萃取法。