CN103275331B

CN103275331B - 一种以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法

Info

Publication number: CN103275331B
Application number: CN201310192775.9A
Authority: CN
Inventors: 李志礼; 葛圆圆; 肖多
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: CN103275331A

Abstract

本发明公开了一种以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，属于纳米材料化学领域。该制备方法利用造纸黑液为原料，经酸析或超滤纯化，去除不溶性杂质和低分子化合物；将纯化后的木质素溶于碱性溶液；再以一定速度加入硫酸、硝酸或者盐酸，使其形成木质素胶体；经冷冻干燥后可获得木质素纳米颗粒，其粒径分布在50~280nm以内。所得木质素纳米颗粒具有良好的分散性能和吸附性能，有望应用于废水处理和染料、农药、水煤浆等体系的分散剂。本发明公开的制备方法简单可行，所用溶剂为水，对环境无负面影响，具有良好的应用前景。

Description

一种以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法

技术领域

本发明涉及造纸黑液的综合利用方法，具体是指以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法。

背景技术

我国造纸工业废水污染已成为造纸生产及相关行业能否生存和发展的关键因素，据统计，2000年我国县以上造纸及纸制品工业废水排放量为35.3亿吨，占全国工业废水总排放量的18.6%，排放废水中COD_Cr为287.7万吨，约占全国工业总排放量的44.0%。造纸的污染主要是黑液，其中的污染物约占造纸废水总污染物的90% 左右。木质素及其降解物是黑液中最重要的成分，占总COD_Cr的50%左右。对黑液的处理方法甚多，例如碱回收法、资源化法等。但是，由于碱回收法投资较大，回收的碱质量差，所以推广起来比较困难。利用黑液中的有效成份，将黑液中的木质素作为一种重要的资源回收加以利用，无疑是一种值得重视的方法，例如生产木质磺酸盐，碱木素等。目前国内开发研制木质素产品的品种和用途主要有：利用木质素和木质素磺酸盐的天然特性可改性制得肥料、粘合剂、补强剂、填充剂、分散剂及外加剂等，可应用于农业、建筑业以及石油开采、地质钻井、筑路、冶金等行业。但是，由于木质素复杂的无定型结构，限制了其大规模工业化利用。目前工业木质素仅有 1~2%转化为有价值的产品。因此，进一步研究需求量大、技术先进、经济效益好、有市场前景的木质素利用技术是促进木质素工业发展的重要前提，加强木质素的利用技术的研究和开发，加快其产业化进程，不仅可变废弃物为有用资源，而且必将促进制浆造纸废水的根本治理，从而为人类社会带来显著的环境效益与经济效益。

纳米材料是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。当颗粒尺寸进入到纳米量级时，其本身和由它所构成的纳米固体主要具备有如表面效应、宏观量子隧道效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等几个方面的特性。这些特性使纳米材料表现出许多奇特的物理、化学性质，引起了研究人员的极大兴趣。如随着粒子尺寸的减少，表面原子占有比例迅速增加，但表面粒子缺少近邻原子的配位，极不稳定，很容易与其它原子结合，表现出很高的活性，所以制成的纳米材料的比表面积大，表面活性高，可广泛用作各种敏感材料，此外，纳米材料还具备良好的吸光或吸波特性，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。因此，将木质素加工到纳米级，能够有效地改善木质素的一些基本特性，为木质素的应用提供一种新的途径。

近年来，关于木质素纳米颗粒的报道已有一些，如中国专利CN102002165A提供了一种超临界法制取木质素纳米颗粒的方法：造纸黑液经过酸析沉淀得到造纸工业粗木质素，造纸工业粗木质素再经过两次碱溶解酸沉淀，所使用的碱液和酸液分别为氢氧化钠溶液和盐酸溶液，得到精制工业木质素，精制造纸工业木质素经过低温干燥后，用二氧六环溶解，离心分离不溶木质素回收重复使用，得到木质素二氧六环溶液，用二氧化碳超临界设备，采用超临界反溶剂法制备纳米木质素。该法采取价格昂贵的超临界设备，且处理工艺复杂，因此难以推广应用。Kilpelainen等[Kilpelainen I Ilkka，Xie H Haibo，King A Alistair，et al. Dissolution of Wood in Ionic Liquids. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2007，55(22): 9142-9148.]应用具有优良溶解性能的1-丁基-3-甲基氯(BmimCl)离子液溶解木材，成功获得纳米级的木质素颗粒。以离子液体为溶剂可有效屏蔽处理过程中木质素自身酚羟基的自聚合作用，但是离子液体价格昂贵，且不易获得，因此使得纳米木质素的应用难以推广。

基于现有技术的不足之处，本发明提供一种简单可行的制备工艺，以造纸黑液为原料制备纳米木质素颗粒，使其成为一种高性能、绿色环保、具有高附加值的新型材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以造纸黑液为原料制备木质素纳米颗粒的方法。该方法避免了使用有机溶剂，同时以造纸黑液为原料，变废为宝，促进制浆造纸废水的根本治理，减少对环境的污染，而且工艺过程简单，生产成本低，有利于推广应用。

本发明通过以下技术方案实现：

一种以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，先用造纸黑液制备碱木质素，再将碱木质素制备成木质素胶体，最后将木质素胶体通过冷冻干燥，真空升华即可得到木质素纳米颗粒；所述木质素胶体的制备包括如下步骤：

（1）将碱木质素加入到水中，保持搅拌加入碱液，碱液与碱木质素的重量比为2~3 : 1，静置，再加入碱液调节木质素溶液的pH值达到11~13，再次加入水，搅拌使其混合均匀，静置，得到均匀的浅棕色木质素溶液；

所述步骤（1）中碱木质素与第一次加入的水的重量比为1 : 7~8，碱木质素与第二次加入的水的重量比为1 : 1~2。

所述步骤（1）中碱液浓度为0.5~1mol/L，所述碱液为NaOH、KOH、氨水中的一种或一种以上组合；

（2）取一定量步骤（1）得到的木质素溶液，再加入水，搅拌使其混合均匀，滴加无机酸使溶液体系的pH=1.5~1.9，无机酸的滴加速度控制在每秒1~3滴，同时保持搅拌，静置一段时间，形成木质素胶体。

该步骤一定要严格控制滴加无机酸的速度，以免滴加速度过快形成木质素絮凝体，而得不到木质素胶体。

所述步骤（2）中木质素溶液与水的重量比为1 : 20~30。

所述步骤（2）中无机酸浓度为为0.5~1mol/L，无机酸包括硫酸、盐酸、硝酸中的一种或一种以上组合。

本发明的造纸黑液制备碱木质素包括如下两种方法：

（a）取100份的造纸黑液，水浴加热至50~60℃，边搅拌边加入10%的硫酸至pH=2.2~3.0，析出大量碱木质素，过滤，用蒸馏水反复冲洗至中性，于60~70℃下真空干燥11~13小时，研磨获得纯碱木质素；

（b）取100份造纸黑液，用超滤装置对其进行超滤，超滤膜的截留分子量为2000和50000，除去黑液中大量的无机盐和低分子量的有机物，所得滤液于60~70℃下真空干燥11~13小时，研磨获得纯碱木质素。

本发明也可以采用现有技术中的其他的常规方法从造纸黑液中制备碱木质素。

本发明的冷冻干燥温度为-20~-25℃，真空升华的真空度为12~15 Pa。

本发明所用的造纸黑液包括木材造纸黑液，草本造纸黑液，可以从市场购买，也可按照公开的文献自行制备。

本发明得到的木质素纳米颗粒的粒径为50~280nm，它具有良好的分散性能和吸附性能，可应用到废水处理和染料、农药、水煤浆等体系的分散剂。

本发明具有以下优点：

（1）本发明的原料造纸黑液来源广泛，易于获得。不使用有机溶剂，消耗的酸、碱均为常规化学品，可市场购买，且可通过适当的办法回收，无污染，产品无溶剂残留，为木质素的高价值利用提供良好的工艺途径。

（2）本发明采取冷冻干燥工艺，由于在冻结的状态下进行干燥，颗粒的体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象；由于在真空下，氧气极少，可避免物质被氧化；因物料处于冻结状态，温度很低，供热的热源温度要求不高，能耗低。

（3）本发明的工艺过程简单，而且可有效对造纸黑液进行资源化利用，变废为宝，减少对环境的污染。

附图说明

图1为实施例1所得木质素纳米颗粒的SEM图；

图2为实施例2所得木质素纳米颗粒的SEM图；

图3为实施例3所得木质素纳米颗粒的SEM图；

图4为实施例4所得木质素纳米颗粒的SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，这些实施例仅限于说明本发明而不用于限制本发明保护范围。

实施例1

（1）造纸黑液制备碱木质素：

（a）取100份蒲庙造纸厂的造纸黑液，水浴加热至50℃，边搅拌边加入10%的硫酸至pH=2.2~3.0，析出大量碱木质素，过滤，用蒸馏水反复冲洗至中性，于65℃下真空干燥12小时，研磨获得纯碱木质素；

（b）取100份造纸黑液，用超滤装置对其进行超滤，超滤膜的截留分子量为2000和50000，除去黑液中大量的无机盐和低分子量的有机物，所得滤液于65℃下真空干燥12小时，研磨获得纯碱木质素。

（2）木质素胶体的制备：

（a）取50份上述步骤（1）所得碱木质素，加入375份的水中，保持搅拌，加入1mol/L的NaOH 125mL，静置5~10min，再加入25mL NaOH，使木质素溶液的pH值达到11~13，再加入75份水，搅拌使其混合均匀，静置30min，得到均匀的浅棕色木质素溶液；

（b）取（2a）中木质素溶液10份，加入250份的水，搅拌使其混合均匀，以一定速度向其中滴加0.5 mol/L盐酸至pH=1.5-1.9，保持搅拌，静置30min，形成木质素胶体。

（3）冷冻干燥，真空升华：取50份步骤（2b）中所得木质素胶体，放入冷冻干燥机中冷冻干燥，温度为-20℃，待全部凝固后真空升华，真空度为12 Pa，可制得木质素纳米颗粒。

将制备的木质素纳米颗粒用电镜扫描得到SEM图，如图1所示，其粒径为50-280nm，从图可知木质素纳米颗粒呈不规则形状分布。

实施例2

（1）造纸黑液制备碱木质素：

（a）取100份蒲庙造纸厂的造纸黑液，水浴加热至60℃，边搅拌边加入10%的硫酸至pH=2.2~2.8，析出大量碱木质素，过滤，用蒸馏水反复冲洗至中性，于70℃下真空干燥11小时，研磨获得纯碱木质素；

（b）取100份造纸黑液，用超滤装置对其进行超滤，超滤膜的截留分子量为2000和50000，除去黑液中大量的无机盐和低分子量的有机物，所得滤液于60℃下真空干燥13小时，研磨获得纯碱木质素。

（2）木质素胶体的制备：

（a）取50份上述步骤（1）所得碱木质素，加入400份的蒸馏水中，保持搅拌，加入0.5mol/L的KOH 250mL，静置10min，再加入50mL KOH，使木质素溶液的pH值达到12~13，再加入100份蒸馏水，搅拌使其混合均匀，静置30min，得到均匀的浅棕色木质素溶液；

（b）取（2a）中木质素溶液10份，加入300份的蒸馏水，搅拌使其混合均匀，以一定速度向其中滴加1 mol/L硫酸至pH=1.5-1.9，保持搅拌，静置30min，形成木质素胶体。

（3）冷冻干燥，真空升华：取50份步骤（2b）中所得木质素胶体，放入冷冻干燥机中冷冻干燥，温度为-25℃，待全部凝固后真空升华，真空度为15 Pa，可制得木质素纳米颗粒。

将制备的木质素纳米颗粒用电镜扫描得到SEM图，如图2所示，其粒径为50-200nm，从图可知木质素纳米颗粒呈不规则形状分布。

实施例3

（1）造纸黑液制备碱木质素：

（a）取100份蒲庙造纸厂的造纸黑液，水浴加热至55℃，边搅拌边加入10%的硫酸至pH=2.2~3.0，析出大量碱木质素，过滤，用蒸馏水反复冲洗至中性，于60℃下真空干燥13小时，研磨获得纯碱木质素；

（b）取100份造纸黑液，用超滤装置对其进行超滤，超滤膜的截留分子量为2000和50000，除去黑液中大量的无机盐和低分子量的有机物，所得滤液于70℃下真空干燥11小时，研磨获得纯碱木质素。

（2）木质素胶体的制备：

（a）取50份上述步骤（1）所得碱木质素，加入350份的蒸馏水中，保持搅拌，加入0.8mol/L的氨水160mL，静置8~15min，再加入35mL氨水，使木质素溶液的pH值达到11~13，再加入50份蒸馏水，搅拌使其混合均匀，静置30min，得到均匀的浅棕色木质素溶液；

（b）取（2a）中木质素溶液10份，加入200份的蒸馏水，搅拌使其混合均匀，以一定速度向其中滴加0.8 mol/L硝酸至pH=1.5-1.9，保持搅拌，静置30min，形成木质素胶体。

（3）冷冻干燥，真空升华：取50份步骤（2b）中所得木质素胶体，放入冷冻干燥机中冷冻干燥，温度为-22℃，待全部凝固后真空升华，真空度为13 Pa，可制得木质素纳米颗粒。

将制备的木质素纳米颗粒用电镜扫描得到SEM图，如图3所示，其粒径为50-250nm，从图可知木质素纳米颗粒呈不规则形状分布。

实施例4

（1）造纸黑液制备碱木质素：

（2）木质素胶体的制备：

（a）取50份上述步骤（1）所得碱木质素，加入375份的水中，保持搅拌，加入1mol/L的NaOH 125mL，静置15~20min，再加入25mL氨水，使木质素溶液的pH值达到11~13，再加入75份水，搅拌使其混合均匀，静置30min；

（b）取（2a）中木质素溶液10份，加入250份的水，搅拌使其混合均匀，以一定速度向其中分别滴加0.5 mol/L硫酸和盐酸至溶液pH=1.5-1.9，保持搅拌，静置30min，形成木质素胶体。

将制备的木质素纳米颗粒用电镜扫描得到SEM图，如图4所示，其粒径为50-280nm，从图可知木质素纳米颗粒呈不规则形状分布，

实施例5

（1）造纸黑液制备碱木质素：

（2）木质素胶体的制备：

（a）取50份上述步骤（1）所得碱木质素，加入375份的蒸馏水中，保持搅拌，加入1mol/L的KOH 125mL，静置20~30min，再加入25mL氨水，使木质素溶液的pH值达到11~13，再加入75份蒸馏水，搅拌使其混合均匀，静置30min；

（b）取（2a）中木质素溶液10份，加入250份的蒸馏水，搅拌使其混合均匀，以一定速度向其中分别滴加0.5 mol/L盐酸和硝酸至溶液pH=1.5-1.9，保持搅拌，静置30min，形成木质素胶体。

（3）冷冻干燥，真空升华：取50份步骤（2b）中所得木质素胶体，放入冷冻干燥机中冷冻干燥，温度为-20℃，待全部凝固后真空升华，真空度为15 Pa，可制得木质素纳米颗粒。

Claims

1.一种以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，其特征在于：先用造纸黑液制备碱木质素，再将碱木质素制备成木质素胶体，最后将木质素胶体通过冷冻干燥，真空升华即可得到木质素纳米颗粒；所述木质素胶体的制备包括如下步骤：

（2）取一定量步骤（1）得到的木质素溶液，再加入水，搅拌使其混合均匀，滴加无机酸使溶液体系的pH=1.5~1.9，无机酸的滴加速度控制在每秒1~3滴，同时保持搅拌，静置一段时间，形成木质素胶体；

所述冷冻干燥温度为-20~-25℃，真空升华的真空度为12~15 Pa。

2.根据权利要求1所述的以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中碱木质素与第一次加入的水的重量比为1 : 7~8，碱木质素与第二次加入的水的重量比为1 : 1~2。

3.根据权利要求1所述的以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中碱液浓度为0.5~1mol/L，所述碱液为NaOH、KOH、氨水中的一种或一种以上组合。

4.根据权利要求1所述的以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的静置时间为5~30min。

5.根据权利要求2或3所述的以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中木质素溶液与水的重量比为1 : 20~30。

6.根据权利要求4所述的以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中无机酸浓度为为0.5~1mol/L，无机酸包括硫酸、盐酸、硝酸中的一种或一种以上组合。

7.根据权利要求1所述的以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述造纸黑液制备碱木质素包括如下两种方法：

8.根据权利1所述的以造纸黑液为原料的木质素纳米颗粒的制备方法的制备方法，其特征在于：所述木质素纳米颗粒的粒径为50~280nm。