CN106283795B - 一种分离半纤维素和纤维素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分离半纤维素和纤维素的方法，首先取经制浆所得的浆料并采用瓦利打浆机进行打浆处理，然后在碱液即氢氧化钠溶液浸泡状态下利用微波加热方式溶解和移除半纤维素，即可获得高纤维素含量的纤维；同时采用有机溶剂置换碱液中脱除的半纤维素，最终可以达到有效分离半纤维素和纤维素的目的。本发明的优点在于：能够分离获得高纯度的纤维素、又能同时回收高纯度的半纤维素，从而提升了植物纤维原料的利用价值，实现生物质资源的综合，利用具有重要的意义；且能够降低碱液用量，调和处理温度，生产高等级溶解浆，减小环境污染和节约生产成本。

Description

一种分离半纤维素和纤维素的方法

【技术领域】

本发明属于生物质资源综合利用领域，具体涉及一种分离半纤维素和纤维素的方法。

【背景技术】

天然的纤维素基植物纤维是自然界中含量最为丰富的自然资源之一，它具有绿色环保以及可再生等优良特性，无疑可以成为重要的新型工业原料。其中，同为碳水化合物的纤维素和半纤维素是植物纤维的两种主要组成成分，在针叶木中纤维素和半纤维素的含量分别为45％～50％与25％～35％，在阔叶木中它们含量分别为40％～55％与24％～40％，在草类纤维中它们含量分别为35％～50％与25％～35％。

一方面，纤维素具有多种独特的性能，包括稳定的物理化学特性、致密且有规律的大分子排列、可持续的且绿色的来源、无污染型的生产和消费，这些特性和优势已经奠定了纤维素在人民生活和工业生产中的重要地位，纤维素产品及其衍生品已经被广泛应用在日化、生物食品、化工、医药卫生以及航空航天等诸多行业领域；另一方面，作为短链碳水化合物，半纤维素利用也已经取得世界瞩目的效果：通过醚化和酯化改性，半纤维素可以作为造纸助剂、粘合剂和化工材料等应用到制浆造纸、建筑行业以及生物制药产业中，此外也可以发酵制备乙醇、蒸馏生产糠醛、生产木糖醇和乙酸等多种具有广泛应用价值的产品。

目前，获取高纯度纤维素的主要手段是生产溶解浆，它是由植物纤维原料通过化学处理而得到的一种纤维素含量较高，而半纤维素、木素和其他化学成分含量相对较低的化学精制浆。碱抽提处理可以高效提升溶解浆纤维素的纯度，且在实际工业生产中应用极为广泛；碱抽提处理主要包括冷碱抽提和热碱抽提。但实际应用中，碱抽提处理仍然面临一些困境和亟待解决难题，例如：冷碱抽提需要非常高的碱用量，需耗费的碱浓高达7％～10％，且其处理温度较低，一般低于40℃，而经制浆所得的浆料通常是相对较高(高于100℃)的，这意味着，在进行冷碱抽提操作前还必须对浆料进行冷却降温处理，从而降低整个分离效率；热碱抽提需要较高的温度(120℃～145℃)，但高温度则伴随着较高的得率损失。

传统的半纤维素获得方法主要是直接对植物纤维原料进行物理、化学、酶以及微波等单独或者结合的处理，这种处理分离手段具有较高的针对性，但在处理纤维原料的过程中会引入木质素、灰分以及树脂等杂质成分，从而增加半纤维素的分离难度，降低半纤维素的化学纯度。

因此，研发出一种既能够分离获得高纯度的纤维素、又能同时回收高纯度的半纤维素的方法或工艺是本领域从业人员所迫切希望地。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种分离半纤维素和纤维素的方法，能够同时获得高纯度的纤维素和高纯度的半纤维素。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种分离半纤维素和纤维素的方法，该方法包括如下具体操作步骤：

(1)、取360g经制浆所得的浆料，并置于瓦利打浆机内进行打浆处理，打浆结束后收集、浓缩纸浆纤维至干度为10％～15％，得纤维浆料，备用；

(2)、取20g～50g步骤(1)所得纤维浆料，并加入氢氧化钠溶液和水调节纤维浓度至2％～8％，且调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为0.5％～4.0％；然后进行碱-微波处理，处理温度为40℃～80℃，处理时间为10min～30min，微波处理功率为500W～800W；

(3)、将碱-微波处理后所得的溶液进行过滤分离处理，分别收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

(4)、将步骤(3)所收集到的固体剩余物采用清水进行充分洗涤，洗涤至清水的pH为7.0-8.0即得高纯度的纤维素；

(5)、在步骤(3)收集的碱抽提液中加入乙酸调节pH至5.0-7.0，然后加入2～4倍碱抽提液体积的有机溶剂，并于3500rmp～4500rmp的转速下离心10min～20min，最后依次过滤、分离与收集即可得半纤维素。

进一步地，所述步骤(1)中：打浆处理的打浆浓度为1.3％～1.7％，瓦利打浆机的杠杆负荷为29N～54N。

进一步地，所述步骤(1)中制浆所得的浆料为针叶木或阔叶木或竹子或草类纤维素纤维所制得的浆料。

进一步地，所述步骤(3)中的过滤分离处理时在布氏漏斗上进行的。

进一步地，所述步骤(5)中的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮的至少一种。

本发明的有益效果在于：

提供一种分离半纤维素和纤维素的方法，其既能够分离获得高纯度的纤维素、又能同时回收高纯度的半纤维素，即该方法能够同时获得高纯度的纤维素和高纯度的半纤维素，从而提升了植物纤维原料的利用价值，实现生物质资源的综合利用，具有重要的意义；且与现有生产制备溶解浆的冷碱抽提方法相比，本发明方法能够降低碱液用量，调和处理温度，生产高等级溶解浆；与传统半纤维素抽提方法相比，本发明方法可以制备高纯度的半纤维素，最终提升分离效果，减小环境污染和节约生产成本。

【具体实施方式】

本发明一种分离半纤维素和纤维素的方法，该方法包括如下具体操作步骤：

(1)、取360g经制浆所得的浆料，并置于瓦利打浆机内进行打浆处理，打浆结束后收集、浓缩纸浆纤维至干度为10％～15％，得纤维浆料，备用；

(2)、取20g～50g步骤(1)所得纤维浆料，并加入氢氧化钠溶液和水调节纤维浓度至2％～8％，且调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为0.5％～4％，加入氢氧化钠溶液能够促进半纤维素的溶出；然后进行碱-微波处理，处理温度为40℃～80℃，处理时间为10min～30min，微波处理功率为500W～800W；

(3)、将碱-微波处理后所得的溶液进行过滤分离处理，分别收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

(4)、将步骤(3)所收集到的固体剩余物采用清水进行充分洗涤，洗涤至清水的pH为7.0-8.0即得高纯度的纤维素；

(5)、在步骤(3)收集的碱抽提液中加入乙酸调节pH至5.0-7.0，然后加入2～4倍碱抽提液体积的有机溶剂，并于3500rmp～4500rmp的转速下离心10min～20min，最后依次过滤、分离与收集即可得半纤维素。

其中：步骤(1)中打浆处理的打浆浓度为1.3％～1.7％，瓦利打浆机的杠杆负荷为29N～54N，使得打浆效果更好；步骤(1)中制浆所得的浆料为针叶木或阔叶木或竹子或草类纤维素纤维所制得的浆料。步骤(3)中的过滤分离处理时在布氏漏斗上进行的；步骤(5)中的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种。另外，需要说明的是，本发明中的百分数在无特别说明的情况下均为质量百分数；本发明采用瓦力打浆改善纸浆纤维形态，利于半纤维素在后续处理中的溶出，同时微波处理进一步强化了碱抽提分离半纤维素和纤维素的效果和作用。

本发明的主要原理是：采用瓦利打浆机进行打浆处理，然后在碱液即氢氧化钠溶液浸泡状态下利用微波加热方式溶解和移除半纤维素，即可获得高纤维素含量的纤维；同时采用有机溶剂置换碱液中脱除的半纤维素，最终可以达到有效分离半纤维素和纤维素的目的。

为了对本发明方法进行进一步的阐述说明，申请人给出了如下几个实施例，且这些实施例仅是示例性的，并不用于限制本发明的保护范围。

实施例1分离马尾松硫酸盐浆中的半纤维素和纤维素

在瓦利打浆机的浆槽中加入10L水，启动电源，缓慢加入360g经制浆后所得的马尾松硫酸盐浆，并再补加水调节至纸浆纤维浓度为1.5％，在54N杠杆负荷的作用下打浆20min，然后收集纸浆纤维悬浮液并进行浓缩处理至打浆纤维的干度为12％，得纤维浆料，备用；

取20g所得纤维浆料并放入微波加热装置中，加入水和1.5％的氢氧化钠溶液，调节纤维浓度至5％时停止加入氢氧化钠溶液，此时调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为1.5％；接着启动微波加热装置电源进行碱-微波处理，设置微波处理功率500W、微波处理温度40℃，处理20min后关闭微波电源开关，结束碱-微波处理；

取出碱-微波处理所得的溶液并放在布氏漏斗上进行真空抽滤处理，分离并收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

用清水充分洗涤收集到的固体剩余物，并洗涤至清水的pH为7.0，则得高纯度的纤维素，此时固体剩余物中纤维素含量91.52％，即纤维素的纯度高达91.52％；

采用30％乙酸调节收集到的碱抽提液至其pH为7.0，加入乙醇溶液，乙醇溶液与碱抽提液的体积比为3:1，之后把混合液转移到离心管中，于3500rmp的转速下离心10min，最后进行过滤分离并收集沉淀物，且采用清水洗净即得半纤维素，该半纤维素的分离率达到45％。

实施例2分离铁杉酸性亚硫酸盐浆中的半纤维素和纤维素

在瓦利打浆机的浆槽中加入15L水，启动电源，缓慢加入360g经制浆后所得的铁杉酸性亚硫酸盐浆，并再补加水调节至纸浆纤维浓度为1.3％，在50N杠杆负荷的作用下打浆20min，然后收集纸浆纤维悬浮液并进行浓缩处理至打浆纤维的干度为15％，得纤维浆料，备用；

取30g所得纤维浆料并放入微波加热装置中，加入水和氢氧化钠溶液，调节纤维浓度至4％时停止加入氢氧化钠溶液，此时调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为1.0％；接着启动微波加热装置电源进行碱-微波处理，设置微波处理功率600W、微波处理温度50℃，处理15min后关闭微波电源开关，结束碱-微波处理；

取出碱-微波处理所得的溶液并放在布氏漏斗上进行真空抽滤处理，分离并收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

用清水充分洗涤收集到的固体剩余物，并洗涤至清水的pH为7.5，则得高纯度的纤维素，此时固体剩余物中纤维素含量为88.79％，即纤维素的纯度高达88.79％；

采用30％乙酸调节收集到的碱抽提液至其pH为6.5，加入由丙酮和乙醇等体积混合而成的有机溶剂，有机溶剂与碱抽提液的体积比为3:1，之后把混合液转移到离心管中，于4000rmp的转速下离心10min，最后进行过滤分离并收集沉淀物，且采用清水洗净即得半纤维素，该半纤维素的分离率达到42％。

实施例3分离桉木硫酸盐浆中的半纤维素和纤维素

在瓦利打浆机的浆槽中加入15L水，启动电源，缓慢加入360g经制浆后所得的桉木硫酸盐浆，并再补加水调节至纸浆纤维浓度为1.7％，在54N杠杆负荷的作用下打浆40min，然后收集纸浆纤维悬浮液并进行浓缩处理至打浆纤维的干度为10％，得纤维浆料，备用；

取30g所得纤维浆料并放入微波加热装置中，加入水和氢氧化钠溶液，调节纤维浓度至5％时停止加入氢氧化钠溶液，此时调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为3.0％；接着启动微波加热装置电源进行碱-微波处理，设置微波处理功率800W、微波处理温度80℃，处理15min后关闭微波电源开关，结束碱-微波处理；

取出碱-微波处理所得的溶液并放在布氏漏斗上进行真空抽滤处理，分离并收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

用清水充分洗涤收集到的固体剩余物，并洗涤至清水的pH为7.5，则得高纯度的纤维素，此时固体剩余物中纤维素含量为于94％，即纤维素的纯度高达94％；

采用30％乙酸调节收集到的碱抽提液至其pH为7.0，加入乙醇溶液，乙醇溶液与碱抽提液的体积比为2.5:1，之后把混合液转移到离心管中，于4000rmp的转速下离心15min，最后进行过滤分离并收集沉淀物，且采用清水洗净即得半纤维素，该半纤维素的分离率达到62％。

实施例4分离竹子预水解硫酸盐浆中的半纤维素和纤维素

在瓦利打浆机的浆槽中加入15L水，启动电源，缓慢加入360g经制浆后所得的竹子预水解硫酸盐浆，并再补加水调节至纸浆纤维浓度为1.5％，在40N杠杆负荷的作用下打浆30min，然后收集纸浆纤维悬浮液并进行浓缩处理至打浆纤维的干度为12％，得纤维浆料，备用；

取20g所得纤维浆料并放入微波加热装置中，加入水和氢氧化钠溶液，调节纤维浓度至8％时停止加入氢氧化钠溶液，此时调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为2.0％；接着启动微波加热装置电源进行碱-微波处理，设置微波处理功率600W、微波处理温度50℃，处理10min后关闭微波电源开关，结束碱-微波处理；

取出碱-微波处理所得的溶液并放在布氏漏斗上进行真空抽滤处理，分离并收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

用清水充分洗涤收集到的固体剩余物，并洗涤至清水的pH为8.0，则得高纯度的纤维素，此时固体剩余物中纤维素含量为于92.59％，即纤维素的纯度高达92.59％；

采用30％乙酸调节收集到的碱抽提液至其pH为7.0，加入甲醇溶液，甲醇溶液与碱抽提液的体积比为3:1，之后把混合液转移到离心管中，于4500rmp的转速下离心15min，最后进行过滤分离并收集沉淀物，且采用清水洗净即得半纤维素，该半纤维素的分离率达到52％。

实施例5分离芦苇烧碱-蒽醌浆中的半纤维素和纤维素

在瓦利打浆机的浆槽中加入18L水，启动电源，缓慢加入360g经制浆后所得的芦苇烧碱-蒽醌浆，并再补加水调节至纸浆纤维浓度为1.6％，在30N杠杆负荷的作用下打浆20min，然后收集纸浆纤维悬浮液并进行浓缩处理至打浆纤维的干度为15％，得纤维浆料，备用；

取10g所得纤维浆料并放入微波加热装置中，加入水和氢氧化钠溶液，调节纤维浓度至7％时停止加入氢氧化钠溶液，此时调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为2.5％；接着启动微波加热装置电源进行碱-微波处理，设置微波处理功率650W、微波处理温度65℃，处理20min后关闭微波电源开关，结束碱-微波处理；

取出碱-微波处理所得的溶液并放在布氏漏斗上进行真空抽滤处理，分离并收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

用清水充分洗涤收集到的固体剩余物，并洗涤至清水的pH为7.8，则得高纯度的纤维素，此时固体剩余物中纤维素含量为于92.42％，即纤维素的纯度高达92.42％；

采用30％乙酸调节收集到的碱抽提液至其pH为6.5，加入乙醇溶液，乙醇溶液与碱抽提液的体积比为4:1，之后把混合液转移到离心管中，于4500rmp的转速下离心15min，最后进行过滤分离并收集沉淀物，且采用清水洗净即得半纤维素，该半纤维素的分离率达到55％。

综上，本发明方法既能够分离获得高纯度的纤维素、又能同时回收高纯度的半纤维素，即能够同时获得高纯度的纤维素和高纯度的半纤维素，从而提升了植物纤维原料的利用价值，实现生物质资源的综合利用具有重要的意义；且与现有生产制备溶解浆的冷碱抽提方法相比，本发明方法能够降低碱液用量，调和处理温度，生产高等级溶解浆；与传统半纤维素抽提方法相比，本发明方法可以制备高纯度的半纤维素(基本不含有木素和树脂等非碳水化合物成分)，最终提升分离效果，减小环境污染和节约生产成本。

Claims (5)

1.一种分离半纤维素和纤维素的方法，其特征在于：该方法包括如下具体操作步骤：

(1)、取360g经制浆所得的浆料，并置于瓦利打浆机内进行打浆处理，打浆结束后收集、浓缩纸浆纤维至干度为10％～15％，得纤维浆料，备用；

(2)、取20g～50g步骤(1)所得纤维浆料，并加入氢氧化钠溶液和水调节纤维浓度至2％～8％，且调节后所得浆料中的氢氧化钠的浓度为0.5％～4.0％；然后进行碱-微波处理，处理温度为40℃～80℃，处理时间为10min～30min，微波处理功率为500W～800W；

(3)、将碱-微波处理后所得的溶液进行过滤分离处理，分别收集固体剩余物和滤液即碱抽提液；

(4)、将步骤(3)所收集到的固体剩余物采用清水进行充分洗涤，洗涤至清水的pH为7.0-8.0即得高纯度的纤维素；

(5)、在步骤(3)收集的碱抽提液中加入乙酸调节pH至5.0-7.0，然后加入2～4倍碱抽提液体积的有机溶剂，并于3500rmp～4500rmp的转速下离心10min～20min，最后依次过滤、分离与收集即可得半纤维素。

2.根据权利要求1所述一种分离半纤维素和纤维素的方法，其特征在于：所述步骤(1)中：打浆处理的打浆浓度为1.3％～1.7％，瓦利打浆机的杠杆负荷为29N～54N。

3.根据权利要求1所述一种分离半纤维素和纤维素的方法，其特征在于：所述步骤(1)中制浆所得的浆料为针叶木或阔叶木或竹子或草类纤维素纤维所制得的浆料。

4.根据权利要求1所述一种分离半纤维素和纤维素的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的过滤分离处理是在布氏漏斗上进行的。

5.根据权利要求1所述一种分离半纤维素和纤维素的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种。