CN105368468B - 一种酸性离子液体预处理提高木质素热解焦油产率与品质的方法 - Google Patents

一种酸性离子液体预处理提高木质素热解焦油产率与品质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酸性离子液体预处理提高木质素热解焦油产率与品质的方法，属于生物质综合利用技术领域。本发明通过选择能高效破坏木质素中氢键、醚键和碳‑碳键等弱键合结构的酸性离子液体，将木质素和酸性离子液体加入到反应釜，在温和条件下预处理；然后利用溶剂将酸性离子液体洗出后将木质素干燥，溶剂和酸性离子液体回收后循环使用。本发明预处理后的木质素进行热解，相比于未处理木质素酸性离子液体预处理后木质素热解焦油收率高且焦油中酚类化合物含量显著提高。该方法工艺简单、过程洁净、焦油收率富含酚类化合物，酸性离子液体用量少易于循环使用。

Description

一种酸性离子液体预处理提高木质素热解焦油产率与品质的 方法
技术领域
本发明属于生物质综合利用技术领域，具体地说涉及一种用酸性离子液体预处理木质素来提高其热解所得焦油产率并显著提高酚类化合物含量的方法。
背景技术
每年，地球上大约有500亿吨木质素通过光合作用产生。同时木质素作为副产品也在世界各地大量生产,如每年全国的制浆造纸工业要从生物质中分离出大量的纤维素，有1.4亿吨之多，从而得到大量的木质素副产品，有5000万吨左右。从目前情况看，对于这样一个巨大的宝贵的生物质资源，一直没有得到有效利用，还有95％左右的木质素一直以“黑液”的形式直接排入外界的河流或是进行浓缩燃烧处理，浪费资源的同时，又对环境造成进一步污染破坏。
对木质素的利用有很多方式方法，热解是目前木质素高效利用的方式之一，此种方法发生反应简便、效率极高，产物碳氢化合物的产量较为丰富，所以对其进行有效利用可以拓宽到工业化生产。同时因为木质素本身是由三种C9基本结构单元(愈创木基、紫丁香基和对羟苯基)，通过醚键和碳-碳键连接而成的具有三维结构的无定形高聚物。通过热解解离不同的醚键和碳-碳键可生产芳烃,因此木质素被认为是自然界中最丰富的可再生来源的芳香族化合物。木质素热解制芳烃已有大量的研究，为了提高热解焦油收率可通过加氢热解或在供氢溶剂存在下热解(Energy Fuels 7(1993)426-429，Chemical Engineeringand Technology 31(2008)736-745)。为了提高热解焦油的性能，预热处理(200-300℃)常用来对生物质进行预处理,如Sushil Adhikari等人发现木质素在225℃于氦气中预处理3分钟然后热解，相比于未处理木质素，预处理会导致总碳收率下降约7wt％，而芳香物和酚类化合物产率提高大约10wt％(Energy Fuels,28(2014)4532–4538)。Nawshad Muhammad等发现用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐预处理竹子可提高热解产品中酚类化合物的产率(Ind.Eng.Chem.Res.,2012,51(5)2280–2289)。
发明内容
本发明的目的是要提供一种用酸性离子液体预处理木质素来提高木质素热解所得焦油产率并显著提高酚类化合物含量的方法和工艺。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
(1)选择能高效破坏木质素中氢键、醚键和碳-碳键等弱键合结构的酸性离子液体，将木质素和酸性离子液体加入到反应釜，其中酸性离子液体与木质素的质量之比为0.01～5:1；
(2)然后将木质素和酸性离子液体所形成的混合物加热、温度控制在室温～250℃，预处理0.5～3小时，预处理结束后自然冷却到室温；预处理结束后将所得的混合物中酸性离子液体用溶剂洗出，然后通过蒸发回收溶剂和酸性离子液体可作循环使用。
(3)预处理后的木质素在惰性气氛或氢气下热解，可高收率获得富含酚类化合物的热解焦油。
所述酸性离子液体是木质素中氢键、醚键和碳-碳键等弱键合结构具有较好破坏能力的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐。
所述溶剂为水、乙醇或丙酮。
作为一种优化，所述步骤(1)中：酸性离子液体与木质素质量之比为5:1；所述步骤(2)中：将木质素和酸性离子液体所形成的混合物加热至100℃下预处理1h。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明所用酸性离子液体可以高效解聚木质素中的醚键和碳-碳键，提高木质素热解焦油收率，特别是可显著提高热解焦油中酚类化合物的产率。相对其他预处理工艺与方法，本发明热解焦油产率和焦油中酚类化合物显著高于其他工艺。
2、本发明预处理温度低(室温～250℃)，工艺稳定，易于控制且工艺操作简单。
3、本发明酸性离子液体、水和有机溶剂可循环使用，可有效提高过程的经济性。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
称取3g的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和3g的木质素混匀后于200℃下预处理30min，结束后用水洗涤脱除1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，水和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐的混合物通过蒸发回收可循环使用。多次洗涤后将预处理后木质素再干燥备用。称取预处理后木质素3g置于固定床反应器中。热解条件为氮气气氛，流速为100ml/min，由室温加热至800℃，升温速率为10℃/min，用冷阱收集液体产物。收集的焦油通过柱层析分离分别得到脂肪烃、芳香烃、酚类组分。发现液体产物收率相比于原木质素提高了75％，酚类化合物产率比原木质素的提高了8倍。
实施例2
称取3g的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和3g的木质素混匀后于50℃下预处理3h，结束后用乙醇洗涤脱除1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，乙醇和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐的混合物通过蒸发回收可循环使用。多次洗涤后将预处理后木质素再干燥备用。称取预处理后木质素3g置于固定床反应器中。热解条件为氮气气氛，流速为100ml/min，由室温加热至800℃，升温速率为10℃/min，用冷阱收集液体产物。收集的焦油通过柱层析分离分别得到脂肪烃、芳香烃、酚类组分。发现液体产物收率相比于原木质素提高了一倍，酚类化合物产率产率比原木质素的提高了11倍。
实施例3
称取0.03g的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和3g的木质素混匀后于250℃下预处理2h，结束后用丙酮洗涤脱除1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，丙酮和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐的混合物通过蒸发回收可循环使用。多次洗涤后将预处理后木质素再干燥备用。称取预处理后木质素3g置于固定床反应器中。热解条件为氮气气氛，流速为100ml/min，由室温加热至800℃，升温速率为10℃/min，用冷阱收集液体产物。收集的焦油通过柱层析分离分别得到脂肪烃、芳香烃、酚类组分。发现液体产物收率相比于原木质素提高了45％，酚类化合物产率产率比原木质素的提高了2倍。
实施例4
称取15g的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和3g的木质素混匀后于100℃下预处理1h，结束后用水洗涤脱除1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，水和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐的混合物通过蒸发回收可循环使用。多次洗涤后将预处理后木质素再干燥备用。称取预处理后木质素3g置于固定床反应器中。热解条件为氮气气氛，流速为100ml/min，由室温加热至800℃，升温速率为10℃/min，用冷阱收集液体产物。收集的焦油通过柱层析分离分别得到脂肪烃、芳香烃、酚类组分。发现液体产物收率相比于原木质素提高了1.5倍，酚类化合物产率产率比原木质素的提高了12倍。
实施例5
称取5g的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和3g的木质素混匀后于150℃下预处理30min，结束后用丙酮洗涤脱除1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，丙酮和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐的混合物通过蒸发回收可循环使用。多次洗涤后将预处理后木质素再干燥备用。称取预处理后木质素3g置于固定床反应器中。热解条件为氮气气氛，流速为100ml/min，由室温加热至800℃，升温速率为10℃/min，用冷阱收集液体产物。收集的焦油通过柱层析分离分别得到脂肪烃、芳香烃、酚类组分。发现液体产物收率相比于原木质素提高了1.1倍，酚类化合物产率比原木质素的提高了9倍。
实施例6
称取1g的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和3g的木质素混匀后于100℃下预处理2h，结束后用乙醇洗涤脱除1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，乙醇和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐的混合物通过蒸发回收可循环使用。多次洗涤后将预处理后木质素再干燥备用。称取预处理后木质素3g置于固定床反应器中。热解条件为氮气气氛，流速为100ml/min，由室温加热至800℃，升温速率为10℃/min，用冷阱收集液体产物。收集的焦油通过柱层析分离分别得到脂肪烃、芳香烃、酚类组分。发现液体产物收率相比于原木质素提高了1.3倍，酚类化合物产率产率比原木质素的提高了5倍。
实施例7
称取0.9g的1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和3g的木质素混匀后于50℃下预处理1h，结束后用丙酮洗涤脱除1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，丙酮和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐的混合物通过蒸发回收可循环使用。多次洗涤后将预处理后木质素再干燥备用。称取预处理后木质素3g置于固定床反应器中。热解条件为氮气气氛，流速为100ml/min，由室温加热至800℃，升温速率为10℃/min，用冷阱收集液体产物。收集的焦油通过柱层析分离分别得到脂肪烃、芳香烃、酚类组分。发现液体产物收率相比于原木质素提高了65％，酚类化合物产率产率比原木质素的提高了4倍。

Claims (2)

1.一种酸性离子液体预处理提高木质素热解焦油产率与品质的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将木质素和酸性离子液体加入到反应釜，其中酸性离子液体与木质素质量之比为0.01～5:1；
所述酸性离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐；
(2)将步骤(1)的木质素和酸性离子液体所形成的混合物加热、温度控制在室温～250℃，预处理0.5～3h，预处理结束后自然冷却到室温；然后用溶剂将酸性离子液体洗出后将木质素干燥；
所述溶剂为水、乙醇或丙酮；
(3)将步骤(2)干燥后的木质素在惰性气氛或氢气下热解。
2.如权利要求1所述的一种酸性离子液体预处理提高木质素热解焦油产率与品质的方法，其特征在于，所述步骤(1)中酸性离子液体与木质素质量之比为5:1；所述步骤(2)中，将木质素和酸性离子液体所形成的混合物加热至100℃下预处理1h。
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