CN102503990A - 以木素热化学降解酚类产物为原料制备表面活性剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以木素热化学降解酚类产物为原料制备表面活性剂的方法，将取自于制浆废液中的木素或者木材水解、生物质炼制过程中产生的废液中得到的木素与高沸点醇以3:1～5:1的液固比混合后，在酸性金属盐催化剂的存在下，于150℃～350℃下进行液化处理，得到以酚类物质为主的液化产物，提纯液化后产物提纯后并加入醚化、酯化、接枝共聚或交联的各类改性试剂，在40℃～90℃下进行改性，得到表面活性剂。本发明所制备的表面活性剂水溶性好、适用范围广、表面活性较强，经液化处理的木素适合多种化学改性，具有成本低，应用范围广的特点。

Description

以木素热化学降解酚类产物为原料制备表面活性剂的方法

技术领域

本发明涉及木素改性领域，具体涉及以木素热化学降解酚类产物为原料制备表面活性剂的方法。

背景技术

近年来，随着煤炭、石油、天然气等不可再生化石资源总量的不断减少，新能源的开发和利用已经成为人类目前研究的热点，而生物质能作为太阳能的一种重要表现形式，取之不尽用之不竭，具有可再生、低污染、广分布、储量大等优点，是解决未来能源危机最有潜力的途径之一。

当前生产表面活性剂的原料主要有以下两大类：一是矿物质的化石资源，二是可再生的生物质资源。就目前而言，前者中石油类原料是最主要的，其次是脂肪酸盐类。煤、石油、天然气等化石资源不可再生，而且会产生环境污染问题。鉴于此，生物质资源是目前被认为替代化石资源为原料生产表面活性剂的最佳选择。而在生物质资源中，木素又是不可忽略的重要部分，但目前对木素的综合利用率并不高，因其为大分子结构，限制了活性基团的作用，并且废弃后又增加对环境的压力。

工业木素作为造纸工业和木材水解工业以及生物质炼制工业的副产物，由于其来源丰富，且是天然可再生的资源，它的应用越来越受到人们的关注。木素及其衍生物在工业上的应用，其实大都与表面活性有关，例如，作为分散剂、螯合剂、乳化剂等。木素原料价格低廉、无毒，而且具有一定的生物可降解性，因此在诸多的表面活性剂原料中具有较强的竞争力，但由于性能还不够理想，使得其应用受到限制。因此，对木素进行适当的改性，使其更能满足工业生产的需要，具有重要的意义。

谌凡更等在《麦草的催化热化学液化研究》（纤维素科学与技术.2002,10(2): 25~31）一文中指出，木素组分在含羟基液体介质、催化剂存在的条件下液化降解，可以生成一系列单体、二聚体和多聚体，Kuroda等的研究（J.Anal Appl.Pyrolysis,1990,18(3):59~69）也得到了相似的结论，而且指出产物中以酚类物质居多。而酚羟基是非常重要的反应性基团，因此，木素的液化处理对于后续的改性及应用都具有非常积极的意义。

发明内容

针对上述相关技术存在的缺陷和不足，本发明提供以木素热化学降解酚类产物为原料制备表面活性剂的方法。该方法制备的表面活性剂水溶性好、表面活性较强，可作为一般用途的表面活性剂或者二次纤维脱墨剂组分之一。

本发明目的通过如下技术方案实现：

（1）按3:1～5:1的液固比，用溶剂将木素原料分散，加入质量相当于木素原料质量0.5%～5%的催化剂，在150℃～350℃下反应1.5h～4.5h，得到液化后的混合液；所述液固比为溶剂的体积与木素绝干质量的比值；所述溶剂为高沸点醇，催化剂为酸性金属盐催化剂；

（2）将液化后的混合液加入到提取溶剂中，混合液中的液化产物沉淀析出或被萃取到提取溶剂中，然后进行分离提纯，得到液化木素产物；

若以沉淀形式析出液化产物，去除上层清液，将下层沉淀用提取溶剂洗涤，干燥，得到提纯后的液化木素产物；若液化产物被萃取到提取溶剂中，取含有液化产物的上层液体相，蒸馏去除溶剂，取剩余的固体液化产物，干燥，得到提纯后的液化木素产物；

（3）将提纯后的液化木素产物与溶剂混合后，加入浓度为50g/L～125g/L的NaOH溶液10ml～30ml，充分搅拌；然后加入改性试剂进行改性反应，其中改性试剂与已加NaOH溶液中NaOH的摩尔比为0.5:1～2.5:1，改性温度控制在40℃～90℃，改性时间为1h～6h即得到改性产物；反应过程中保持均匀搅拌；所述溶剂为水或者有机溶剂；每100ml溶剂中溶解1g～50g液化木素产物；

（4）改性完成后向改性产物中加入沉淀试剂得到沉淀产物，将沉淀产物滤出并纯化，得到木素改性表面活性剂；所述沉淀试剂为无机酸或有机溶剂。

步骤（1）所述木素原料为从造纸厂制浆工艺蒸煮废液中提取得到的工业木素、化学机械法制浆化学预处理段废水中提取得到的木素，生物质炼制或者木材水解工艺过程中从废液中提取得到的木素。

步骤（1）所述高沸点醇为丙三醇、乙二醇、异丙醇或苯酚；所述酸性金属盐催化剂为硫化亚铁、硅酸铝、硫酸铁、氯化铝或硅钨酸。

步骤（2）所述提取溶剂为乙醇、丙酮、乙醚或二氧六环水溶液。

步骤（3）所述有机溶剂为异丙醇、丙酮、乙醚或二氧六环。

步骤（4）所述改性试剂包括能与木素进行醚化（阳离子化、羟烷基化、羧甲基化）、酯化（乙酰化、磷酸盐化）、接枝共聚、交联的各类试剂。本发明选用一氯乙酸、二乙胺乙基氯化物、环氧丙烷三甲基氯化铵、甲醛、二羟甲基乙烯脲、卤代烷烃或3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵。

步骤（4）所述无机酸为硫酸、盐酸或磷酸，有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、二氧六环或乙醚。

为进一步实现本发明目的，步骤（2）所述干燥为40℃～55℃下的真空干燥、喷雾干燥或者冷冻干燥。

为进一步实现本发明目的，步骤（4）改性完成后，为使沉淀产物沉淀聚集利于过滤，可将含有表面活性剂产物的悬浊液在40℃～70下保温0.5h～1h，然后再进行后续操作处理。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明所制备的木素改性表面活性剂具有优良的水溶性、较宽的PH值适用范围；

（2）本发明提供了一种有效提高工业木素反应性的方法，液化处理后的木素以酚类物质为主，反应性能大大增强；

（3）本发明经液化处理后的木素适合多种化学改性，具有成本低，应用范围广的特点；

（4）本发明工艺简单，所需设备在工业上应用都已成熟，所用溶剂在生产过程中作为反应介质或洗涤液，均可实现回收再利用，药品消耗少；

（5）本发明为工业木素高附加值综合利用提供了有效途径，具有很好的经济效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。其他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、结合、简化，均为等效形式，同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

（1）碱法制浆黑液经酸沉淀、净化处理后得到碱木素，取该碱木素50g，另取200ml苯酚，将二者搅拌均匀，加入2.5g硫化亚铁作催化剂，在170℃条件下液化反应1.5h，得到液化后的产物；

（2）将约100ml液化后的产物加入200ml乙醇中并搅拌，液化产物的酚类木素沉淀析出，静置0.5h，去除上层液体，将沉淀用乙醇洗涤3次，然后于50℃下真空干燥，得到提纯的液化碱木素产物；

（3）取5g提纯后的液化碱木素产物溶于80ml丙酮中，再加入20ml100g/L的NaOH溶液，调节水浴至50℃，在搅拌条件下加入0.125mol3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，搅拌速度为300r/min，反应5h，得到改性产物；

（4）将10%稀硫酸加入到上述改性产物中，直至改性产物pH小于2，此时表面活性剂产物沉淀析出，将此含有表面活性剂产物的悬浊液在60℃下保温0.5h，使得沉淀聚集利于过滤，之后将沉淀滤出并用pH≈2的水洗涤3次，冷冻干燥，即得木素改性的表面活性剂。

按照HJ535-2009《水质氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》标准中所述的方法测定制备的表面活性剂中氨氮的含量；将表面活性剂配制成1%的溶液，在25℃恒温2h，取100ml用G4砂芯漏斗过滤，根据漏斗增加的的质量来推算表面活性剂的溶解度，以此反应其溶解性能；将表面活性剂配制成质量浓度为0.5%的水溶液，在DCAT21型表面界面张力测定仪上用吊片法测定其表面张力和临界胶束浓度CMC。

通过纳氏试剂分光光度法测得实施例1中木素改性表面活性剂含氮量为1.45%，25℃下在中性水溶液中溶解度为94.5%。在用量为0.5%的条件下，表面张力比改性前降低14.52%。

对比例1

将碱法制浆黑液经酸沉淀、净化处理后得到碱木素，不经过步骤1和步骤2的液化处理，而是直接用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵改性：取6g碱木素溶于80ml水中，并加入20ml100g/L的NaOH溶液，调节水浴至50℃，在搅拌条件下加入0.125mol 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，搅拌速度为300r/min，反应5h，得到改性产物，用10%稀硫酸调节混合液pH小于2，表面活性剂产物沉淀析出，将此悬浊液在60℃下保温0.5h，之后将沉淀滤出并用pH≈2的水洗涤3次，冷冻干燥得木素改性的表面活性剂。

实施例1中的表面活性剂与对比例1中的表面活性剂相比，在0.5%的浓度条件下，表面张力低3.78%。

实施例2

（1）取70g木素磺酸盐（来自酸性亚硫酸盐法制浆废液）、210ml乙二醇，将二者搅拌均匀，加入0.7g硅酸铝作催化剂，在200℃条件下液化反应2h，得到液化后的产物；

（2）将约100ml液化后的产物加入200ml乙醚中并搅拌，液化后的木素产物沉淀析出，静置0.5h，去除上层液体，将沉淀用乙醚洗涤5次，再将固体沉淀真空抽滤，之后在55℃下真空干燥，得到提纯的木素磺酸盐液化产物；

（3）取10g提纯后的木素磺酸盐液化产物溶于70ml异丙醇中，并加入30ml 100g/L的NaOH溶液，调节反应温度至60℃，在搅拌条件下加入0.075mol环氧丙烷三甲基氯化铵，搅拌速度为250r/min，反应5h，得到改性产物；

（4）将浓缩后的改性产物加入到200ml乙醇中，木素磺酸盐改性的表面活性剂沉淀析出，去除上层清液，之后用乙醇溶液洗涤沉淀3次，经55℃真空干燥即得改性的表面活性剂。

用纳氏试剂分光光度法测得本实施例所制备的木素改性的表面活性剂的氨氮含量为1.26%，室温条件下在中性水溶液中溶解度为98.9%。在用量为0.5%的条件下，表面张力比改性前降低13.24%。

对比例2

取10g不经液化处理的木素磺酸盐，加入70ml异丙醇和30ml100g/L的NaOH溶液，与0.075mol环氧丙烷三甲基氯化铵在反应温度60℃，搅拌速度250r/min条件下，反应5h得到表面活性剂产物。实施例2中的改性表面活性剂与对比例2此未经液化处理的表面活性剂相比，临界胶束浓度（CMC）前者要低42.71%。

实施例3

（1）生物质酸解、酶解工艺过程中的水解液浓缩处理后用二氧六环水溶液提取出其中的木素，取该水解木素50g，200ml乙二醇，将二者搅拌均匀，加入1.0g硫化亚铁作催化剂，在240℃条件下液化反应1.5h，得到液化后的混合产物；

（2）取40ml二氧六环和160ml水于同一500ml的烧杯中，搅拌均匀，另取100ml液化后的混合产物；用上述二氧六环水溶液萃取液化后的混合产物，混合产物中的酚类产物被萃取到上层二氧六环水溶液中，取该上层液体相，蒸馏去除溶剂二氧六环和水，剩余的固体为液化后的木素酚类产物，在50℃下真空干燥，得到提纯后的木素酚类产物；

（3）取20g提纯后的木素酚类产物溶于80ml水中，并加入20ml 100g/L的NaOH溶液，调节水浴至50℃，在搅拌条件下加入0.11mol二乙胺乙基氯化铵，搅拌速度为300r/min，反应4h，得到改性产物；

（4）将浓缩后的改性产物加入到200ml乙醇中，木素改性的表面活性剂沉淀析出，去除上层清液，之后用乙醇溶液洗涤沉淀3次，经55℃喷雾干燥即得木素改性的表面活性剂。

用纳氏试剂分光光度法测得本实施例木素改性的表面活性剂的氨氮含量为1.02%，25℃下在中性水溶液中溶解度为96.5%。在用量为0.5%的条件下，表面张力比改性前降低20.59%。

对比例3

取20g不经液化处理的水解木素，加入80ml水和20ml 100g/L的NaOH溶液，与0.1mol二乙胺乙基氯化铵在反应温度50℃，搅拌速度300r/min条件下，反应4h得到表面活性剂产物。与对比例3未经液化处理的木素改性表面活性剂相比，浓度为0.5%的条件下，实施例3中的改性表面活性剂表面张力低6.90%，临界胶束浓度CMC低33.51%。

实施例4

（1）取化学机械浆化学预处理段的废水，去除杂质，超滤后富集其木素大分子组分，喷雾干燥得到以木素为主要组分的产物，取60g该木素原料，300ml丙三醇，将二者搅拌均匀，加入2.4g硅钨酸作催化剂，在220℃条件下液化反应2h，得到液化木素产物；

（2）将约100ml液化木素产物加入200ml丙酮中，木素沉淀析出，静置30min，去除上层液体，将沉淀用丙酮洗涤5次，离心分离，将得到的产物在50℃下真空干燥，得到提纯后的液化木素产物；

（3）取15g提纯后的液化木素产物溶于75ml乙醚中，并加入25ml 100g/L NaOH溶液，调节水浴至60℃，在搅拌条件下加入0.125mol醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，搅拌速度为200r/min，反应6h，得到改性产物；

（4）用10%稀硫酸作沉淀剂，加入到反应后的改性产物中，加至混合液pH小于2，此时表面活性剂产物沉淀析出，将此含有表面活性剂产物的悬浊液在60℃下保温30min，使得沉淀聚集利于过滤，之后将沉淀滤出并用pH≈2的水洗涤3次，经50℃真空干燥即得木素改性的表面活性剂。

用纳氏试剂分光光度法测得本实施例改性后木素表面活性剂的含氮量为1.38%，接枝率为0.15g醚化剂/g木素，25℃下水中溶解度为90.4%。用量为0.5%的条件下，表面张力比改性前降低19.48%。

对比例4

取15g不经液化处理的原料木素，加入75ml水和25ml 100g/L的NaOH溶液，与0.125mol 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵在反应温度60℃，搅拌速度200r/min条件下，反应6h得到木素改性表面活性剂产物。与对比例4未经液化处理的木素改性表面活性剂相比，浓度为0.5%的条件下，实施例4中的表面活性剂表面张力低6.86%，临界胶束浓度CMC低31.89%。

Claims (8)

1.以木素热化学降解酚类产物为原料制备表面活性剂的方法，其特征在于具体包括以下步骤：

（1）按3:1～5:1的液固比，用溶剂将木素原料分散，加入质量相当于木素原料质量0.5%～5%的催化剂，在150℃～350℃下反应1.5h～4.5h，得到液化后的混合液；所述液固比为溶剂的体积与木素绝干质量的比值；所述溶剂为高沸点醇，催化剂为酸性金属盐催化剂；

（2）将液化后的混合液加入到提取溶剂中，混合液中的液化产物沉淀析出或被萃取到提取溶剂中，然后进行分离提纯，得到液化木素产物；

（3）将提纯后的液化木素产物与溶剂混合后，加入浓度为50g/L～125g/L的NaOH溶液10ml～30ml，充分搅拌；然后加入改性试剂进行改性反应，其中改性试剂与已加NaOH溶液中NaOH的摩尔比为0.5:1～2.5:1，改性温度控制在40℃～90℃，改性时间为1h～6h，即得到改性产物；反应过程中保持均匀搅拌；所述溶剂为水或者有机溶剂；每100ml溶剂中溶解1g～50g液化木素产物；

（4）改性反应完成后向改性产物中加入沉淀试剂得到沉淀产物，滤出沉淀产物并纯化即得到木素改性表面活性剂；所述沉淀试剂为无机酸或有机溶剂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）所述木素原料为从造纸厂化学法制浆工艺蒸煮废液中提取得到的工业木素、化学机械法制浆化学预处理段废水中提取得到的木素、生物质炼制或者木材水解工艺过程中从废液中提取得到的木素。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）所述高沸点醇为丙三醇、乙二醇、异丙醇或苯酚；所述酸性金属盐催化剂为硫化亚铁、硅酸铝、硫酸铁、氯化铝或硅钨酸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（2）所述提取溶剂为乙醇、丙酮、乙醚或二氧六环水溶液。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（3）所述有机溶剂为异丙醇、丙酮、乙醚或二氧六环。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（3）所述改性试剂为一氯乙酸、二乙胺乙基氯化物、环氧丙烷三甲基氯化铵、甲醛、二羟甲基乙烯脲、卤代烷烃或3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（4）所述无机酸为硫酸、盐酸或磷酸，有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、二氧六环或乙醚。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于步骤（2）所述干燥为40℃～55℃下的真空干燥、喷雾干燥或者冷冻干燥。