CN102251424A

CN102251424A - 一种一步提取纤维素的方法

Info

Publication number: CN102251424A
Application number: CN2011101733222A
Authority: CN
Inventors: 江国华; 王日精; 青山雅俊; 王寅; 孙心克; 王晟
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT; Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT; Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Priority date: 2011-06-25
Filing date: 2011-06-25
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公开一种一步提取纤维素的方法。它是将干燥粉碎后的植物秸秆分散在有机溶剂和水的混合溶液中，并加入无机碱和氧化剂，在密闭的水热反应釜中于1-5MPa压力下进行反应，后过滤、分离，之后用醇和水进行冲洗并干燥，得到纤维素。其中，有机溶剂优选丙酮、乙醇、甲醇、甲苯中的任一种或任几种的混合物；无机碱优选氢氧化钾和/或氢氧化钠；氧化剂优选H₂O₂或亚氯酸钠。本发明可以一步实现去除植物秸秆中的半纤维素、木质素和果胶等非纤维素组分，得到纤维素，生产工艺简单，容易操作，易于推广和产业化。

Description

一种一步提取纤维素的方法

技术领域

本发明涉及从植物秸杆高压碱氧浴一步提取纤维素的方法，属于有机化学植物秸杆的预处理方法。

背景技术

人们越来越明显地看到我们所面临的一个前所未有的挑战，即满足日益增长的能源需求和保护环境，对环境保护和可持续发展的要求越来越高。作为地球上首屈一指且可年年再生的植物纤维资源自然引人注目。植物纤维资源主要有农作物秸秆和林业废料两大类，我国每年产生的秸秆类原料数量巨大，据估计约有十亿吨之多。这些资源大多未能得到有效利用，把植物纤维转化为工业产品代表着一个可持续的办法来满足日益增长的燃料和化工产品的需求，尤其是鉴于供应量有限的矿物资源，石油资源的日益减少和对环境的关注。

植物秸杆的主要成分，主要有纤维素、半纤维素、木质素三种组分。交叉联结的半纤维素和木质素的复合体把纤维素纤维胶合在一起形成一种复合材料。其中草本植物秸秆中纤维素、半纤维素、木质素的含量分别约为36-45 %、25-38 %、15-25 %。纤维素是植物秸秆中最丰富的生物质资源，其大量使用不会带来粮食供应方面的负面影响。因此，纤维素的转化和利用被认为是发展可持续能源的一条有效途径。传统的纤维素分离方法采用亚氯酸钠去除木质素后用氢氧化钾或氢氧化钠提取，或者在制浆工艺中用含硫和氯的试剂从生物质中分离，这些方法给环境带来了不良的影响，同时这种方法反应条件复杂而且要求较高（高洁, 汤烈贵编. 纤维素科学[M], 北京：科学出版社,1996，p18）。最近有报道用离子液体为介质提取纤维素，但利用离子液体成本相对较高（Shengdong Zhu等. Dissolution of cellulose with ionic liquids and its application: a mini-review. Green Chemistry, 2006, 8, 325-327）。

因此，在本领域需要寻求一种方法，快捷、简单并且低耗高效地分离半纤维素、木质素，提取获得纤维素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一步提取纤维素的方法，该方法可以一步同时去除植物秸秆中的半纤维素、木质素和果胶等非纤维素组分，得到纤维素。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该一步提取纤维素的方法是将干燥粉碎后的植物秸秆分散在有机溶剂和水的混合溶液中，并加入无机碱和氧化剂，然后在密闭的水热反应釜中于1～5 MPa压力下进行反应，将反应产物过滤、分离后用醇和水进行冲洗并干燥，得到纤维素。

进一步地，本发明所述有机溶剂是丙酮、乙醇、甲醇、甲苯中的任一种或任几种的混合物。有机溶剂在高压高温反应过程中可以溶解秸秆原材料表面的腊质。

进一步地，本发明所述无机碱是氢氧化钾和/或氢氧化钠。

进一步地，本发明所述氧化剂是H₂O₂或亚氯酸钠。

进一步地，本发明所述无机碱在所述反应的反应液中的质量百分含量为1～8 %。

进一步地，本发明所述氧化剂在所述反应的反应液中的质量百分含量为1～5 %。

进一步地，本发明所述反应的反应温度是80～150 ^oC。

进一步地，本发明所述反应的反应时间是10～40 min。

进一步地，本发明所述植物秸秆是非木本植物秸秆。

与现有技术相比，本发明的优点是：（1）本发明针对传统的碱氧浴技术耗时、耗能、环境污染等缺点，将高压反应技术与碱氧浴技术相结合，开发出新的高纯纤维素提取技术，具有实用性。（2）传统的碱氧浴技术是分步进行的，即先除去植物秸秆中易溶于水的半纤维素、果胶，然后通过碱氧化除去木质素后获得纤维素，而本发明利用高压碱氧浴直接提取纤维素可以一步实现去除植物秸秆中的半纤维素、木质素和果胶等非纤维素组分，得到纤维素，生产工艺简单，容易操作。（3）本发明提取纤维素耗时短，一般只需耗时10-40 min，具有效率高、能耗低的特点。（4）本发明在提取纤维素时加入无机碱和氧化剂，反应中无机碱和氧化剂的使用可除去秸秆中的半纤维素、木质素和果胶等非纤维素物质。同时氧化剂的使用还能实现对纤维素的漂白，提高纤维素的品质。（5）本发明所用的无机碱和氧化剂浓度低，避免了传统纤维素提取过程中高浓度酸和碱的使用，具有环境污染小的特点。（6）本发明可使用非木本植物秸秆，其来源丰富、价格低廉，是一种取之不竭的可再生资源。（7）本发明工艺简单，制备条件温和，操作简便，投资少，能耗低，因此，易于推广和产业化。

附图说明

图1是本发明实施例1至实施例3所得产物的FT-IR图，其中，曲线A代表实施例1，曲线B代表实施例2，曲线C代表实施例3；

图2是本发明实施例1至实施例3所得产物的SEM图，其中，图A和图B代表实施例1，图C代表实施例2，图D代表实施例3。

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

（1）先将玉米秸杆晒干，后经机械粉碎，并过筛子（200目）收集秸杆粉末，得到浅黄色粉末固体。

（2）将粉碎后的秸杆粉末2.0 g加入到100 mL水热反应釜的底部，量取40 mL体积比为1︰1的乙醇和水的混合溶液加入到水热反应釜，搅拌使秸杆粉末分散在溶液中。然后向水热反应釜中加入4.4 g氢氧化钠固体，溶解后再加入9 mL 体积分数为30%的H₂O₂溶液。最终在水热反应釜中的反应液中，氢氧化钠的浓度约为8 wt%，H₂O₂的浓度约为5 wt%。然后密封水热反应釜，控制反应压力为5 MPa，在150 ^oC反应10 min。反应结束待水热反应釜冷却后，倒出产物。将产物过滤、分离，然后用水和体积分数为95 %的乙醇进行彻底清洗，以除去氢氧化钠和其他副产物。将所得固体在60 ^oC干燥12 h，得到大约0.88 g的白色固体产物，产率为44.0 %。

如图1的曲线A所示，实施例1的白色固体产物显示了纤维素的特征吸收峰（1160 cm^-1、1098 cm^-1、900 cm^-1），而木质素（1510 cm^-1和1595 cm^-1）和半纤维素（1735 cm^-1）的特征峰没有出现，说明根据本发明方法得到的纤维素纯度很高。由图2A和图2B可知，所得白色固体呈纤维状，内部为片状堆砌结构，说明其非晶纤维素成分较高，这种非晶纤维素成分的存在是导致片状堆砌结构形成的原因。

实施例2

（2）将粉碎后的秸杆粉末2.0 g加入到100 mL水热反应釜的底部，量取40 mL体积比为1︰1的甲醇和水的混合溶液加入到水热反应釜，搅拌使秸杆粉末分散在溶液中。然后向水热反应釜中加入0.5 g氢氧化钾固体，溶解后再加入2.3 g亚氯酸钠。最终在水热反应釜的反应液中，氢氧化钾的浓度为1.1 wt%，亚氯酸钠的浓度约为5.0 wt%。然后密封水热反应釜，控制反应压力为3 MPa，在100 ^oC反应20 min。反应结束待水热反应釜冷却后，倒出产物。将产物过滤、分离，然后用水和体积分数为95 %的乙醇彻底清洗，以除去氢氧化钾和其他副产物。将所得固体在60 ^oC干燥12 h，得到大约0.86 g的白色固体产物，产率为43.2 %。

如图1的曲线B所示，实施例2的白色固体产物显示了纤维素的特征吸收峰（1160 cm^-1、1098 cm^-1、900 cm^-1），而木质素（1510 cm^-1和1595 cm^-1）和半纤维素（1735 cm^-1）的特征峰没有出现，说明根据本发明方法得到的纤维素纯度很高。由图2C可知，所得白色固体呈纤维状，内部为片状堆砌结构。

实施例3

（2）取粉碎后的秸杆粉末5.0 g加入到100 mL水热反应釜的底部，量取60 mL体积比为1︰1的丙酮和甲醇的混合溶液加入到水热反应釜，搅拌使秸杆粉末分散在溶液中。然后向水热反应釜中加入3.0 g氢氧化钾固体，溶解后再加入2.5 mL体积分数为30%的H₂O₂。最终在水热反应釜的反应液中，氢氧化钾的浓度为4.2 wt%，H₂O₂的浓度约为1.0 wt%。然后密封水热反应釜。控制水热反应釜的反应压力为1 MPa，在80 ^oC反应40 min。反应结束待水热反应釜冷却后，倒出产物。将产物过滤、分离，然后用水和体积分数为95 %的乙醇彻底清洗，以除去氢氧化钠和其他副产物。所得固体在60 ^oC干燥12 h，得到大约2.08 g的白色固体产物，产率为41.6 %。

如图1的曲线C所示，实施例3的白色固体产物显示了纤维素的特征吸收峰（1160 cm^-1、1098 cm^-1、900 cm^-1），而木质素（1510 cm^-1和1595 cm^-1）和半纤维素（1735 cm^-1）的特征峰没有出现，说明根据本发明方法得到的纤维素纯度很高。由图2D可知，所得白色固体呈纤维状，内部为片状堆砌结构。

Claims

1.一种一步提取纤维素的方法，其特征是：将干燥粉碎后的植物秸秆分散在有机溶剂和水的混合溶液中，并加入无机碱和氧化剂，然后在密闭的水热反应釜中于1～5 MPa压力下进行反应，将反应产物过滤、分离后用醇和水进行冲洗并干燥，得到纤维素。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是其特征是：所述有机溶剂是丙酮、乙醇、甲醇、甲苯中的任一种或任几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述无机碱是氢氧化钾和/或氢氧化钠。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述氧化剂是H₂O₂或亚氯酸钠。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述无机碱在所述反应的反应液中的质量百分含量为1～8 %。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述氧化剂在所述反应的反应液中的质量百分含量为1～5 %。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述反应的反应温度是80～150 ^oC。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述反应的反应时间是10～40 min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述植物秸秆是非木本植物秸秆。