CN102797187A

CN102797187A - 一种利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法

Info

Publication number: CN102797187A
Application number: CN2012103314957A
Authority: CN
Inventors: 王雁南; 鞠美庭; 李维尊; 李倩; 刘乐
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2012-11-28

Abstract

一种利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法，步骤是：以NaOH溶液为预处理剂，将粉碎的天然纤维素原料加入NaOH溶液中浸泡震荡反应后洗涤至中性，然后抽滤烘干物料；以离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑为溶剂，以二甲基亚砜为助溶剂，与烘干物料混合进行提取反应，离心分离；将上清液加入去离子水，过滤得沉淀，固体沉淀用去离子水清洗后，烘干即可制得纤维素目标产品，离子液体/DMSO体系可回收循环使用。本发明的优点是：与有机溶剂提取纤维素相比，该方法经济高效、实用性强；离子液体热稳定性好、腐蚀性低、安全无毒、可回收使用；使用碱液进行原料预处理，可大大提高纤维素的提取率，提取的纤维素可作为化工原料。

Description

一种利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法

技术领域

本发明涉及纤维素应用化学工业领域，具体涉及到一种利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法。

背景技术

随着煤、石油等传统能源的消耗以及全世界面临的能源危机，可持续能源的发展与利用引起了广泛的重视。纤维素是自然界中分布最广、储量最大的生物质高分子。每年植物可以通过光合作用产生1000亿吨的纤维素，同时由于无污染、生物相容性、易降解性、来源广泛等诸多优点，被视为取之不尽，用之不竭的可再生资源，广泛应用于纺织、轻工、化工、医药和能源等领域。但是由于天然纤维素原料中木质素、半纤维素对纤维素的包裹作用，影响了纤维素的提取和利用，阻碍了纤维素的开发使用。目前，可以用于纤维素溶解的体系主要是有机溶剂体系，包括N,N-二甲基甲酰胺/四氧二氮(DMF/N2O4)、N-甲基-N-氧吗啉(NMNO)等等，但是都存在着回收困难，环境污染等问题。

室温离子液体是完全由阳离子和阴离子构成的在室温或近于室温下呈液态的物质，又称低温熔融盐、可设计性溶剂等。与其他固体或液体材料相比，有着独特的物理化学性质。它的主要特点是低熔点（可达173K）、不挥发、不易燃、较宽的液态温度区（可达473K）、较好的热稳定性（分解温度达673K）、溶解性较好，可通过设计达到选择性溶解、可重复利用、强的静电场与宽的电化学窗口等等。其多种优点使其广泛的应用于化学合成，萃取分离、材料制备等领域，是一种新型的“绿色”溶剂。2002年，Rogers教授等首先报道了天然纤维素在包括1-丁基-3-甲基咪唑氯盐在内的一系列的离子液体的溶解性能。之后，使用离子液体对纤维素进行高效环保的溶解引起了越来越多的重视。

由于天然纤维素的分子链存有分子内和分子间氢键，纤维素的结晶结构，以及木质素、半纤维素的包裹作用，使得纤维素很难与溶剂接触作用。所以，通过一定的物理或化学手段对生物质原料进行预处理活化，增加其活性表面积，改善其微孔结构，促进反应试剂的渗透润胀，提高反应性能，也是目前研究的一个重要方面。经过碱液处理的天然纤维素原料，可以发生膨胀，结构变得疏松，表面积增加，提高纤维素在溶解体系中的溶解度。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种工艺简单，高效经济的利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法。

本发明的技术方案：

一种利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法，步骤如下：

1）以NaOH溶液为预处理剂，将粉碎至100目的天然纤维素原料加入NaOH溶液于40-60℃下浸泡震荡反应3h后洗涤至中性，然后抽滤烘干物料，NaOH溶液的质量百分比浓度为1-15%，天然纤维素原料的质量为NaOH溶液的1-3%；

2）以离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑[（AMIM）Cl]为溶剂，以二甲基亚砜（DMSO）为助溶剂，按溶剂与助溶剂的质量比为20:3混合组成离子液体/DMSO溶剂体系，按照离子液体/DMSO溶剂体系与处理后的天然纤维素原料重量比为1-5%混合，将处理后的天然纤维素原料、离子液体和DMSO混合、搅拌均匀，然后在温度70-90℃并搅拌下进行提取反应，反应时间为3-5小时，离心分离；

3）将上步所得上清液加入去离子水，上清液与去离子水的质量比为1:5-8，过滤得沉淀，固体沉淀用去离子水清洗4-6次后，烘干即可制得纤维素目标产品，离子液体/DMSO体系可回收循环使用。

所述天然纤维素原料为结缕草末、木粉或叶末。

所述氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑溶剂是通过N-甲基咪唑与3-氯-1-丙烯合成反应制得。

所述离子液体/DMSO溶剂体系的回收方法是：将过滤后的清液经旋转蒸发仪蒸馏，10^-2-10^-1Mpa的真空度下干燥后，即可回收重复使用。

本发明具有如下优点：与有机溶剂提取纤维素相比，该方法经济高效、实用性强；离子液体热稳定性好、腐蚀性低、安全无毒、可回收使用；使用碱液进行原料预处理，可大大提高纤维素的提取率，提取的纤维素可作为化工原料。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

1）将粉碎至100目的1.00g木粉加入100.0mL质量百分比浓度为1%的NaOH溶液中于55℃下于空气摇床中浸泡震荡反应3h后用去离子水洗涤至中性，然后抽滤得到烘干物料；

2）将75.0mL N-甲基咪唑与93.0mL 3-氯-1-丙烯混合后于0℃冰水混合物中起始反应，反应1-2小时后，在保持体系温度为30-40℃下继续反应7-12小时合成制得氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑[（AMIM）Cl]，在三口平底烧瓶中，将40g氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑[（AMIM）Cl]、6g二甲基亚砜（DMSO）和1g烘干物料混合并搅拌均匀，然后在温度80℃并搅拌下进行提取反应，反应时间为4小时，然后在10000r/min下进行离心分离；

3）将上步所得上清液加入300.0mL去离子水，产生大量白色絮状沉淀，过滤得沉淀，固体沉淀用去离子水清洗5次后，烘干即可制得纤维素目标产品。

经红外光谱检测与固体核磁检测为纤维素，纤维素提取质量占木粉质量的7.0%。

离子液体/DMSO体系经旋转蒸发仪蒸馏脱出水分后回收循环使用，方法是：将过滤后的清液经旋转蒸发仪以10^-2-10^-1Mpa的真空度减压蒸馏，回收率可达99%，保存在10^-2-10^-1Mpa的真空干燥器中。

实施例2：

1）将粉碎至100目的1.00g叶末加入100.0mL质量百分比浓度为2%的NaOH溶液中于55℃下于空气摇床中浸泡震荡反应3h后用去离子水洗涤至中性，然后抽滤得到烘干物料；

2）制备氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑[（AMIM）Cl]的方法与实施例1相同，在三口平底烧瓶中，将40g氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑[（AMIM）Cl]、6g二甲基亚砜（DMSO）和1g烘干物料混合并搅拌均匀，然后在温度80℃并搅拌下进行提取反应，反应时间为4小时，然后在10000r/min下进行离心分离；

3）将离心后的上清液加入300.0mL去离子水，产生大量白色絮状沉淀，过滤后所得固体沉淀用去离子水清洗五次后，烘干得纤维素产品，

经红外光谱检测与固体核磁检测为纤维素，提取质量占叶末质量的7.9%。

离子液体/DMSO体系经旋转蒸发仪蒸馏脱出水分后回收循环使用，方法同实施例1，回收率可达99%。

实施例3：

1）将粉碎至100目的1.00g结缕草加入100.0mL质量百分比浓度为10%的NaOH溶液中于55℃下于空气摇床中浸泡震荡反应3h后用去离子水洗涤至中性，然后抽滤得到烘干物料；

经红外光谱检测与固体核磁检测为纤维素，提取质量占总物料质量的11.3%。

实施例4：

1）将粉碎至100目的1.00g结缕草加入100.0mL质量百分比浓度为15%的NaOH溶液中于55℃下于空气摇床中浸泡震荡反应3h后用去离子水洗涤至中性，然后抽滤得到烘干物料；

经红外光谱检测与固体核磁检测为纤维素，提取质量占总物料质量的14.4%。

Claims

1.一种利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法，其特征在于步骤如下：

2.根据权利要求1所述利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法，其特征在于：所述天然纤维素原料为结缕草末、木粉或叶末。

3.根据权利要求1所述利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法，其特征在于：所述氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑溶剂是通过N-甲基咪唑与3-氯-1-丙烯合成反应制得。

4.根据权利要求1所述利用离子液体提取生物质原料中纤维素的方法，其特征在于：所述离子液体/DMSO溶剂体系的回收方法是：将过滤后的清液经旋转蒸发仪蒸馏，10^-2-10^-1Mpa的真空度下干燥后，即可回收重复使用。