CN109134708B - 一种木质纤维素类生物质组分分离的方法 - Google Patents

一种木质纤维素类生物质组分分离的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木质纤维素类生物质组分分离的方法，该方法利用四氢糠醇溶液和木质纤维素类生物质混合，在水热环境下完成对原料半纤维素的降解剥离和木质素的溶出，实现在较低温度下，对木质纤维素类生物质中纤维素、半纤维素和木质素的组分分离，可有效降低能耗。同时反应过程中压力不高，可有效降低设备要求。工艺流程简单，四氢糠醇溶液可循环使用，能效降低成本。

Description

一种木质纤维素类生物质组分分离的方法
技术领域：
本发明涉及生物质能源转化利用技术领域，具体涉及一种木质纤维素类生物质组分分离的方法。
背景技术：
目前化石燃料的不可再生及其大量消耗导致能源供给及生态环境的不断恶化，引起了人们对环境友好型可再生能源研究和开发的关注。在此背景下，木质纤维素类生物质精炼，用以生产可替代石油产品的燃料和化学品研究日益受到重视。
木质纤维素是植物通过光合作用产生的天然高分子复合体，是自然界中储量最丰富的生物质资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，三者之间相互联接，形成致密和复杂的空间三维结构。因纤维素结晶结构及半纤维素和木质素的网状包埋，直接转化木质纤维素组分的效率非常低，往往需要通过预处理手段将组分分离，以利于木质纤维素组分后续的转化利用。
目前，木质纤维素类生物质组分分离的相关方法有：1、专利CN103924468，一种木质纤维素原料组分分离的方法，公开了在NaOH-H2O2体系下对木质纤维素原料组分进行分离的方法；2、专利CN106243247，一种木质纤维素三组分分离的方法，公开了氢氧化钠-多硫化钠体系下的组分分离方法；3、专利CN106674538，一种从木材中分离提取纤维素、半纤维素降解糖和木质素的方法，提供了酸作用下，γ-戊内酯水溶液为溶剂的木质纤维素组分分离的工艺；4、专利CN105484083，木质纤维素组分分离的绿色工艺，公开了通过辐照预处理生物质，耦合低沸点四氢呋喃或者高沸点γ-戊内酯反应，分离木质纤维素组分工艺；5、专利CN102174754，一种分离生物质的溶剂及其生物质选择性分离中的应用，公开通过调变离子液体-有机溶剂-水的构成，改变溶度参数，以实现组分选择性分离和工艺；6、专利CN101440108，一种实现木质纤维素类生物质组分分离的常压脱脂粗甘油预处理方法，提供了一种以脱脂甘油为溶剂的组分分离技术。
虽然通过现有组分分离的方法可有效打破木质纤维素结构，实现组分的部分或全部分离，但现有技术往往需要较高的反应温度(>150℃)，使用强氧化剂，溶剂循环困难，醇析及反复酸碱调节等复杂工艺的不足，在实际应用过程中易产生高耗能和高环境压力的问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种木质纤维素类生物质组分分离的方法，利用四氢糠醇良好的润胀木质纤维素性能和优异的溶解木质素能力，在酸、碱或中性(自催化)环境中，水热催化糖纤维与木质素链接键的断裂，实现在较低温度下，对木质纤维素类生物质中纤维素的保留、半纤维素的分离和木质素的溶解，进而利用组分不同的溶解特性实现组分分离。同时，通过控制溶液中水的含量，可调控半纤维素组分中糖的聚合度。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种木质纤维素类生物质组分分离的方法，该方法利用四氢糠醇溶液和木质纤维素类生物质混合，在水热环境下完成对原料半纤维素的降解剥离和木质素的溶出，实现各组分分离，包括以下步骤：
(1)以粒度0.5～2mm的木质纤维素类生物质为原料，在反应器中，按原料和四氢糠醇溶液的质量体积比1g:(5～20)cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液，在60～120℃下反应0.1～12h后，得到木质纤维素组分分离的反应液；所述四氢糠醇混合溶液为四氢糠醇、水、催化剂按体积质量比1cm3:(0～0.2)cm3:(0～0.05)g组成的溶液；所述催化剂为可溶的酸、碱或盐，其中，酸可为硫酸、盐酸等无机酸或甲酸、醋酸等有机酸；碱可为氢氧化钠、氢氧化钾等无机碱或乙酰胺、乙二胺等有机碱；盐可为Fe2(SO4)3、AlCl3等强酸弱碱盐或K3PO4、CH3COONa等强碱弱酸盐；
(2)将反应液过滤，得到富含纤维素组分的滤渣；过滤液加5倍体积水后，再次过滤，得到滤渣即为木质素组分；滤液减压蒸馏，回收四氢糠醇和水，剩余物乙醇洗过滤后即得半纤维素组分滤渣。
所述木质纤维素类生物质为含有纤维素和木质素的植物或废弃物，包括狼尾草等能源植物、木屑等林业废弃物、秸秆等农业废弃物以及甘蔗渣、糠醛渣等糖(酒)厂加工废弃物。
本发明的有益效果如下：
1、利用四氢糠醇良好的润胀木质纤维素性能和优异的溶解木质素能力，在酸、碱或中性(自催化)环境中，水热催化糖纤维与木质素链接键的断裂，实现在较低温度下，对木质纤维素类生物质中纤维素、半纤维素和木质素的组分分离，可有效降低能耗。
2、本发明中四氢糠醇的沸点(～178℃)较高，反应过程中压力不高，可有效降低设备要求。
3、本发明工艺流程简单，四氢糠醇溶液可循环使用，能效降低成本。
4、本发明可通过改变反应条件，调控组分分离效果和产物生成，可适应原料范围广。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
以1g粒度为0.5mm的狼尾草(含纤维素32％、半纤维素22％、木质素28％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:20cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液(按体积质量比1cm3:0cm3:0g的四氢糠醇、水和硫酸催化剂)，在120℃下反应120min后，过滤，得富含纤维素组分的滤渣0.75g(纤维素含量40.5％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.04g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收四氢糠醇，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.06g。
实施例2：
以1g粒度为0.5mm的狼尾草(含纤维素32％、半纤维素22％、木质素28％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:5cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液(按体积质量比1cm3:0.2cm3:0.05g的四氢糠醇、水和硫酸催化剂)，在60℃下反应12h后，过滤，得富含纤维素组分的滤渣0.53g(纤维素含量57.3％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.10g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收四氢糠醇，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.05g。
实施例3：
以1g粒度为0.5mm的狼尾草(含纤维素32％、半纤维素22％、木质素28％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:10cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液(按体积质量比1cm3:0cm3:0.01g的四氢糠醇、水和硫酸催化剂)，在100℃下反应2h后，过滤，得富含纤维素组分的滤渣0.42g(纤维素含量70.6％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.11g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收四氢糠醇，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.15g。
对比例1：
参考实施例3，不同之处在于体系中没有四氢糠醇，替换为水。
以1g粒度为0.5mm的狼尾草(含纤维素32％、半纤维素22％、木质素28％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:10cm3加入原料和混合溶液(按体积质量比1cm3:0.01g的水和硫酸催化剂)，在100℃下反应2h后，过滤，得固体渣0.76g(纤维素含量40.1％)；滤液加5倍体积水后，没有沉淀析出；滤液经减压蒸馏，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.11g。
实施例4：
以1g粒度为0.5mm的狼尾草(含纤维素32％、半纤维素22％、木质素28％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:15cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液(按体积质量比1cm3:0.1cm3:0.01g的四氢糠醇、水和硫酸催化剂)，在120℃下反应2h后，过滤，得富含纤维素组分的滤渣0.36g(纤维素含量81.3％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.15g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收四氢糠醇，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.14g。
对比例2：
参考实施例4，不同之处在于四氢糠醇用γ-戊内酯代替。
以1g粒度为0.5mm的狼尾草(含纤维素32％、半纤维素22％、木质素28％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:15cm3加入原料和γ-戊内酯混合溶液(按体积质量比1cm3:0.1cm3:0.01g的γ-戊内酯、水和硫酸催化剂)，在120℃下反应2h后，过滤，得固体渣0.47g(纤维素含量53.2％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.09g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收γ-戊内酯，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.07g。
实施例5：
以1g粒度为2mm的糠醛渣(含纤维素35％、半纤维素1％、木质素38％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:10cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液(按体积质量比1cm3:0.2cm3:0.01g的四氢糠醇、水和硫酸催化剂)，在120℃下反应2h后，过滤，得富含纤维素组分的滤渣0.42g(纤维素含量72.6％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.24g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收四氢糠醇，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.01g。
实施例6：
以1g粒度为0.5mm的甘蔗渣(含纤维素38％、半纤维素27％、木质素18％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:10cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液(按体积质量比1cm3:0cm3:0.04g的四氢糠醇、水和三氯化铁催化剂)，在120℃下反应2h后，过滤，得富含纤维素组分的滤渣0.53g(纤维素含量64.9％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.10g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收四氢糠醇，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.16g。
实施例7：
以1g粒度为0.5mm的秸秆(含纤维素36％、半纤维素22％、木质素13％)为原料，在反应器中，按质量体积比1g:10cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液(按体积质量比1cm3:0.2cm3:0.02g的四氢糠醇、水和氢氧化钠催化剂)，在80℃下反应2h后，过滤，得富含纤维素组分的滤渣0.48g(纤维素含量65.3％)；滤液加5倍体积水后，过滤，得木质素组分滤渣0.02g(木质素含量>93％)；滤液经减压蒸馏，回收四氢糠醇，所得剩余物乙醇洗过滤后，得半纤维素组分滤渣0.19g。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种木质纤维素类生物质组分分离的方法，其特征在于，该方法利用四氢糠醇溶液和木质纤维素类生物质混合，在水热环境下完成对原料半纤维素的降解剥离和木质素的溶出，实现各组分分离，包括以下步骤：
(1)以粒度0.5～2mm的木质纤维素类生物质为原料，在反应器中，按原料和四氢糠醇溶液的质量体积比1g:(5～20)cm3加入原料和四氢糠醇混合溶液，在60～120℃下反应0.1～12h后，得到木质纤维素组分分离的反应液；所述四氢糠醇混合溶液为四氢糠醇、水、催化剂按体积质量比1cm3:(0～0.2)cm3:(0～0.05)g组成的溶液；所述催化剂为可溶的酸、碱或强酸弱碱盐或强碱弱酸盐；酸为硫酸、盐酸、甲酸、醋酸中的任一种；碱为氢氧化钠、氢氧化钾、乙酰胺、乙二胺中的任一种；强酸弱碱盐为Fe2(SO4)3或AlCl3，强碱弱酸盐为K3PO4或CH3COONa；
(2)将反应液过滤，得到富含纤维素组分的滤渣；过滤液加5倍体积水后，再次过滤，得到滤渣即为木质素组分；滤液减压蒸馏，回收四氢糠醇和水，剩余物乙醇洗过滤后即得半纤维素组分滤渣。
2.根据权利要求1所述木质纤维素类生物质组分分离的方法，其特征在于，所述木质纤维素类生物质为含有纤维素和木质素的植物或废弃物。
3.根据权利要求2所述木质纤维素类生物质组分分离的方法，其特征在于，所述木质纤维素类生物质包括能源植物、林业废弃物、农业废弃物以及糖、酒厂加工废弃物。
4.根据权利要求3所述木质纤维素类生物质组分分离的方法，其特征在于，所述能源草为狼尾草；所述林业废弃物为木屑；所述农业废弃物为秸秆；所述糖、酒厂加工废弃物为甘蔗渣、糠醛渣中的任一种。
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