CN102926251B - 一种采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法，首先将稻草秸秆粉碎成粉末，再氨水低压爆破处理稻草秸秆，最后采用离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）提取纤维素。本发明的优点是：该方法采用离子液体从经过氨水低压爆破处理的稻草秸秆粉末中提取纤维素，通过将离子液体功能化，使其成为纤维素的有效溶剂，且离子液体循环利用，实现纤维的直接、快速溶解，实现了稻草秸秆的高效处理，提高了生物质资源利用效率，解决了稻草秸秆难于降解、再利用的难题，具有极其深远的社会意义和经济价值。

Description

一种采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法

技术领域

本发明涉及生物质处理技术，尤其是一种采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法。

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，其结构由葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而形成的葡聚糖。通常含数千个葡萄糖单位，是植物细胞壁的主要成分。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，被视为是取之不尽，用之不竭的可再生资源，广泛应用于纺织、轻工、化工、医药和能源等部门。

天然纤维素的结构复杂，分子链内存在着分子内和分子间的氢键，并以多层盘绕的方式构成高结晶性的纤维素结晶结构；同时木质素和半纤维素与纤维素的结合使得纤维素与离子液体的接触面积更小。以上这些特点就决定了纤维素不溶于一般的有机溶剂和水，只能溶于强极性的溶剂或强酸强碱溶液中，由此开发的工艺存在着环境污染等问题。所以开发一种绿色无污染的纤维素有效溶剂是解决这一问题的关键所在。

目前离子液体在溶解纤维素方面的研究有了迅猛的发展。研究发现许多种类的离子液体对纤维素都有溶解能力。离子液体中的阴阳离子对于溶解纤维素起着决定性的作用。目前除了咪唑类离子液体之外，少数吡啶类离子液体对纤维素也有一定的溶解性能，但吡啶类离子液体对纤维素降解较严重且溶解温度高等苛刻条件使得目前研究较少。而咪唑离子液体因其较好的稳定性和较优的溶解工艺条件而研究较多。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法，该方法所需设备简单、工艺简便、处理温度低、条件温和，且不会造成附加的环境危害，实现了稻草秸秆的高效预处理，提高了生物质资源利用效率。

本发明的技术方案：

一种采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法，步骤如下：

1）将稻草秸秆粉碎成过100目稻草秸秆粉末；

2）向蒸汽爆破反应釜中先后加入稻草秸秆粉末和浓度为1.2-3.0mol/L的氨水溶液，稻草秸秆粉末与氨水溶液的用量比为1g/15ml；

3）启动蒸汽爆破机，控制反应温度160℃，维压10min后爆破；

4）取出爆破产物，抽滤、烘干后，密封保存，即得到稻草秸秆预处理产物；

5）将稻草秸秆预处理产物与离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）按照质量比为1:20-25混合，于60-80℃水浴机械搅拌反应5-6h，得到反应物；

6）将上述反应物以12000r/min转速离心10min，然后固液分离，取上清液；

7）在上述分离得到的上清液中加入去离子水，上清液与去离子水的体积比为1：10，得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为目标产品纤维素，抽滤后的滤液回收；

8）将回收的滤液经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐，重复循环利用。

所述离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）系由N-甲基咪唑、烯丙基溴和醋酸铅以1.0:1.2:0.6的质量比合成，其制备方法步骤如下：

1）N₂保护下，将N-甲基咪唑与烯丙基氯以混合，在40℃水浴中加热回流12h，除杂质后，得到中间产物1-烯丙基-3-甲基咪唑溴酸盐；

2)向中间产物1-烯丙基-3-甲基咪唑溴酸盐中加入醋酸铅，室温下搅拌4h，除去杂质后即得离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐。

本发明的优点和有益效果是：

1）采用氨水蒸汽爆破技术处理稻草秸秆粉末，氨水浸泡处理有助于木质素的去除，在处理稻草秸秆碎末时，可以有效减少木质素含量并去除木质素与碳水化合物之间的酯键连接，有效的打破了木质素对纤维素、半纤维素的包裹作用；

2）采用1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）提取纤维素，其对纤维素的溶解能力强且易于回收、不会挥发，可有效地从稻草秸秆中提取纤维素，且不会造成资源过度浪费；

3）该方法所需设备简单、工艺简便、处理温度低、条件温和且不会造成附加的环境危害，实现了稻草秸秆的高效预处理，提高生物质资源利用效率，解决了稻草秸秆难于降解、再利用的难题，具有极其深远的社会意义和经济价值。

具体实施方式

本发明通过以下实施例进一步详述，但本实施例所叙述的技术内容是说明性的，而不是限定性的，不应依此来局限本发明的保护范围。

在以下实施例中，所述离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）系由N-甲基咪唑、烯丙基溴和醋酸铅以1.0:1.2:0.6的质量比合成，其制备方法步骤如下：

1）N₂保护下，将N-甲基咪唑与烯丙基氯以混合，在40℃水浴中加热回流12h，除杂质后，得到中间产物1-烯丙基-3-甲基咪唑溴酸盐；

2)向中间产物1-烯丙基-3-甲基咪唑溴酸盐中加入醋酸铅，室温下搅拌4h，除去杂质后即得离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐。

实施例1：

一种采用离子液体技术从稻草秸秆中提取纤维素的方法，包括以下步骤：

1）将稻草秸秆经粉碎设备粉碎形成100目稻草秸秆粉末；

2）向蒸汽爆破反应釜中先后加入20g稻草秸秆粉末和300ml浓度为1.2mol/L的氨水溶液；

3）启动蒸汽爆破机，控制反应温度160℃，维压10min后爆破；

4）取出爆破产物，抽滤、烘干后，密封保存，即得到稻草秸秆预处理产物；

5）将稻草秸秆预处理产物与离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）按照质量比1:20混合置于圆底烧瓶中于60℃水浴机械搅拌反应6h，得到反应物；

6）将上述反应物以12000r/min离心10min，然后固液分离，取上清液；

7）在上述分离得到的20ml上清液中加入200ml去离子水，得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为目标产品纤维素，抽滤后的滤液回收；

8）将回收的滤液经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐，重复循环利用。

检测结果表明：经过1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）提取，所得纤维素的提取率为65%，所述提取率为离子液体中溶解的纤维素质量与稻草秸秆中纤维素质量的比值。离子液体经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收，回收率为95%

实施例2：

一种采用离子液体技术从稻草秸秆中提取纤维素的方法，包括以下步骤：

1）将稻草秸秆经粉碎设备粉碎形成100目稻草秸秆粉末；

2）向蒸汽爆破反应釜中先后加入20g稻草秸秆粉末和300ml浓度为3.0mol/L的氨水溶液；

3）启动蒸汽爆破机，控制反应温度160℃，维压10min后爆破；

4）取出爆破产物，抽滤、烘干后，密封保存，即得到稻草秸秆预处理产物；

5）将稻草秸秆预处理产物与离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）按照质量比1:25混合置于圆底烧瓶中于70℃水浴机械搅拌反应5h，得到反应物；

6）将上述反应物以12000r/min离心10min，然后固液分离，取上清液；

7）在上述分离得到的20ml上清液中加入200ml去离子水，得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为目标产品纤维素，抽滤后的滤液回收；

8）将回收的滤液经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐，重复循环利用。

检测结果表明：经过1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）提取，所得纤维素的提取率为58%，所述提取率为离子液体中溶解的纤维素质量与稻草秸秆中纤维素质量的比值。离子液体经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收，回收率为95%

实施例3：

一种采用离子液体技术从稻草秸秆中提取纤维素的方法，包括以下步骤：

1）将稻草秸秆经粉碎设备粉碎形成100目稻草秸秆粉末；

2）向蒸汽爆破反应釜中先后加入20g稻草秸秆粉末和300ml浓度为2.0mol/L的氨水溶液；

3）启动蒸汽爆破机，控制反应温度160℃，维压10min后爆破；

4）取出爆破产物，抽滤、烘干后，密封保存，即得到稻草秸秆预处理产物；

5）将稻草秸秆预处理产物与离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）按照质量比1:25混合置于圆底烧瓶中于80℃水浴机械搅拌反应5h，得到反应物；

6）将上述反应物以12000r/min离心10min，然后固液分离，取上清液；

7）在上述分离得到的20ml上清液中加入200ml去离子水，得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为目标产品纤维素，抽滤后的滤液回收；

8）将回收的滤液经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐，重复循环利用。

检测结果表明：经过1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）提取，所得纤维素的提取率为68%，所述提取率为离子液体中溶解的纤维素质量与稻草秸秆中纤维素质量的比值。离子液体经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收，回收率为95%。

Claims (2)

1.一种采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法，其特征在于步骤如下：

1）将稻草秸秆粉碎成过100目稻草秸秆粉末；

2）向蒸汽爆破反应釜中先后加入稻草秸秆粉末和浓度为1.2-3.0mol/L的氨水溶液，稻草秸秆粉末与氨水溶液的用量比为1g/15ml；

3）启动蒸汽爆破机，控制反应温度160℃，维压10min后爆破；

4）取出爆破产物，抽滤、烘干后，密封保存，即得到稻草秸秆预处理产物；

5）将稻草秸秆预处理产物与离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）按照质量比为1:20-25混合，于60-80℃水浴机械搅拌反应5-6h，得到反应物；

6）将上述反应物以12000r/min转速离心10min，然后固液分离，取上清液；

7）在上述分离得到的上清液中加入去离子水，上清液与去离子水的体积比为1：10，得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为目标产品纤维素，抽滤后的滤液回收；

8）将回收的滤液经旋转蒸发仪70℃水浴条件下减压蒸馏回收离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐，重复循环利用。

2.根据权利要求1所述采用离子液体从稻草秸秆中提取纤维素的方法，其特征在于：所述离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐（AMIMOAc）系由N-甲基咪唑、烯丙基溴和醋酸铅以1.0:1.2:0.6的质量比合成，其制备方法步骤如下：

1）N₂保护下，将N-甲基咪唑与烯丙基氯以混合，在40℃水浴中加热回流12h，除杂质后，得到中间产物1-烯丙基-3-甲基咪唑溴酸盐；

2)向中间产物1-烯丙基-3-甲基咪唑溴酸盐中加入醋酸铅，室温下搅拌4h，除去杂质后即得离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐。