CN109826044A - 棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及棉杆全质利用技术领域，具体为一种棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法。该方法包括以下步骤：1）预处理；2）挤干；3）汽爆处理；4）水洗提取木糖；5）脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，得到木糖水解液；6）木糖水解液与水洗水经双极膜回收硫酸后，与水洗液合并回收木糖。此外还包括7）压滤，得滤液为木质素钾，固体物料水洗至中性直接用于造纸；8）压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩、喷雾干燥，用于配制复合肥。本方法简单，操作性强，可较好的实现棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离及其全质利用。

Description

棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离方法

技术领域

本发明涉及棉杆全质利用技术领域，具体为一种棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法及其全质利用的方法。

背景技术

棉花是中国重要的经济作物之一，在棉花丰收的同时产生大量的副产物。棉花秸秆作为棉花生产主要的副产物大多用于生活燃料，对棉花秸秆综合利用较少。棉杆木质部分含综纤维素74%、木质素21%、多戊糖18.8%、纤维素43.7%，其余为水分和杂质。

棉杆的细胞壁里半纤维素是复杂的组分。它们通过氢键与纤维素连接，与木素以共价键（主要是∝-苯甲基醚健）联接，与乙酰基单元和羟基肉桂酸以酯健联接。它们是低分子量的支链聚合物，其聚合度是80-200；半纤维素是由不同糖单元组成，这些糖是D-木糖、L-阿拉伯糖、甘露糖等。

木质素是植物体次生代谢合成的一种天然有机高分子物质，是针叶木类、阔叶类和草类植物的基本化学组成之一，在自然界中的含量仅次于纤维素。据估计，全球每年可生产6×1014 吨木质素。木质素在工业上可用作橡胶补强剂、金属离子的吸附剂，在农业上行业可用于制造香草素等木质生物质主要纤维素、半纤维素 以及木质素 三大组分构成，并且这些成分通过分子内的共价键、分子间氢键作用力以及范德华力相互连接，形成了致密的三维网络空间结构，因此必须通过预处理才能合理利用某一组分。采用爆破工艺，使棉杆芯中纤维素、半纤维素、木质素分子之间分离，同时部分半纤维素转化为木糖，提取出来的半纤维素在连续反应器中进行水解反应，得到木糖，再进一步反应制成糠醛。同时采用溶剂法或碱法提取木质素作为工业和农业的原材料，纤维素用于造纸或溶解浆。

CN 101143881A 公开了一种同时提取半纤维素、纤维素以及木质素并回收酚酸类物质的方法，其步骤是：将玉米秸秆、麦秸秆、杨木等木质纤维类生物质在选定的pH 值和温度下用100-220℃热水处理2-240分钟，是半纤维素和酚酸类物质优先地溶解于水溶液中，然后在100-180℃下采用碱溶液或有机溶剂与水的混合溶剂高温蒸煮，进行脱木质素处理，分离得到木质素和纤维素。该方法首先反应时间长、温度高，并且需要加入硫酸、硝酸等酸性物质，条件苛刻，生产成本高。专利200910042847.5公开了一种采用棉杆芯或罗布麻杆芯生产纸浆的方法。它以经皮芯分离后的棉杆芯或罗布麻杆芯为原料，采用生物发酵法生产。生物发酵法生产包括发酵软化步骤和制浆步骤。发酵软化步骤是：将棉杆芯或罗布麻杆芯浸泡在催化分解剂溶液里，催化分解剂为复合生物酶，复合生物酶包括漆酶和木质素酶。该发明的效果是可以直接将经过棉杆皮芯分离机分离的碎杆芯浸泡在催化分解剂溶液里，降解木质素，软化纤维，无需设置原料粉碎工序。该发明所得产品中纤维素和半纤维素得到最大限度的保留，制浆无污染，粗浆得率75 ～ 85％ ；所生产的纸张不易返黄。可取代木浆造纸，有益于保护生态环境。但是此方法生产周期较长，不利用工业化生产。

发明内容

本发明正是基于以上技术问题，提供一种棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法及其全质利用的方法。本方法中采用爆破、水解方法制取木糖，对木质素利用KOH提取出来制成复合肥，纤维素用于造纸和溶解浆，实现全质利用。而棉秆中半纤维素、纤维素、木质素分离过程中，使用膜精制透过的水全部回用，无有废水排放，环保。

为了实现以上发明目的，本发明的技术方案为：

棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，其包括以下步骤：

（1） 预处理：将收集的棉杆皮芯分离后，切成长度8-12cm，筛选后，进入连续预浸机与含稀硫酸的水溶液进行预浸；预浸温度为常温，预浸时间为6-8h。

作为优选，进入连续预浸机的稀酸水溶液中硫酸重量含量为0.1% ～ 1.0%；所述棉杆预浸处理采用的浴比（即棉杆的质量g与稀酸水溶液的体积ml比）为1:6。

（2）挤干：将在连续预浸机中浸胀后的物料进行脱水，使其含水量为30-60%；

（3）汽爆处理：将脱水后的棉杆进入汽爆装置中在进行汽爆处理；汽爆处理时，先用蒸汽加压至1.0MPa ～ 2.5MPa，然后用压缩空气加压至3-5MPa，时间维持30s ～ 180s。

（4）水洗提取木糖：将汽爆后的棉杆进行水洗，水洗液用纳滤膜提取木糖，然后固体物进行脱水，含水量至40-50Wt%。汽爆后的棉杆与水的的质量比为1：10，提取温度70-90℃，时间15-30min；提取液依次采用微滤膜、超滤膜、纳米膜分离精制得到20%浓度的木糖液，用于生产糠醛。

（5）将脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，得到木糖水解液，水解后的固体物料用清水水洗至中性；固体物料进行水解的条件是：固体质量g与液体体积比为1：8，水解温度120℃，硫酸用量2.4%，水解时间1-3h。水解后的固体物料用清水水洗至中性，所采用的水洗设备可采用中国专利号为2017201920448中记载的“用于汽爆竹子提取木糖的装置”进行水洗。

（6）水解液与水洗水经双极膜回收硫酸后，与步骤（4）中水洗液合并回收木糖。

（7）水洗至中性的固体物料在反应釜中配成15-20%的浆料，加入3-6%的KOH，温度控制在120-150℃，反应1-3h，反应物进行压滤，滤液为木质素钾；固体物料水洗至中性用于造纸。

（8）步骤（7）中得到的压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩至30wt%，喷雾干燥，得到木质素钾，用于配制复合肥。

固体物料水洗时，固液比为1：10。

以上棉秆中半纤维素、纤维素、木质素的分离过程中，使用膜精制，产生的水经全部回用，无有废水排放。

以上所述棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离及制备木糖的方法，还适用于麦杆、亚麻杆、大麻杆、玉米秸、稻谷壳、甘蔗渣、木材等。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（一）、可较好的实现棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离，并实现全质利用。

（二）工艺简单，操作安全，无废物和废水排放，环保。

（三）木糖对半纤维素的转化率高，达95%左右。

附图说明：

图1为本发明中所述棉秆中半纤维素、纤维素、木质素的分离过程及其全质利用的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加便于理解，下面将结合附图和具体实施方式对本发明中所述的工艺做进一步的阐述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

本发明中所使用的固液比，如无特殊说明，均表示固体质量g与液体体积ml比；%如无特殊说明，均表示质量百分含量，即wt%。本发明中汽爆固体物料的水洗和纤维素的水洗设备均可采用中国专利号为2017201920448中记载的“用于汽爆竹子提取木糖的装置”进行水洗。

实施例1：

棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离及全质化利用的方法，包括以下步骤：

（1） 预处理：将收集的棉杆皮芯分离后，切成长度8-12cm，经筛选后，进入连续预浸机与含质量浓度为0.4%的稀硫酸的水溶液进行预浸，固液比为1：6。预浸温度为常温，时间为6h。

（2）挤干：将在连续预浸机中浸胀后的物料进行脱水，使其含水量为40%；

（3） 汽爆处理：将脱水后的棉杆进入汽爆装置中进行汽爆处理；汽爆处理时，先用蒸汽加压至 2.0MPa，然后用压缩空气加压至3.5MPa，时间维持 120s，实现瞬间喷爆。

（4） 水洗提取木糖：气爆后的物料，用水提取木糖，物料与水的的质量比为1：10，提取温度80℃，时间20min；提取液用微滤膜、超滤膜、纳滤膜分离精制得到20%浓度的木糖液，用于生产糠醛。将汽爆后的棉杆进行水洗，水洗液与上述提取液合并处理，水洗后固体物进行脱水，含水量至45Wt% 。

（5） 将脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，水解的条件是:固液比为1：10，水解温度120℃，硫酸用量2.4%，水解时间1.5h。得到木糖水解液，水解后的固体物料用清水水洗至中性。

（6） 水解液与水洗水经双极膜回收硫酸后，与步骤（4）中水洗液合并回收木糖。

（7）水洗至中性的固体物料在反应釜中配成18%的浆料，加入5%的KOH，温度控制在130℃，反应1.5h，反应物进行压滤得到的固体物料为纤维素，水洗至中性用于造纸。

（8）压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩至30%、喷雾干燥，得到粉状木质素钾，用于配制复合肥。

所述棉秆中半纤维素、纤维素、木质素分离过程中，使用膜精制透过的水全部回用，无有废水排放。本发明中木糖对半纤维素的转化率为95%。

实施例2：

棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离及全质化利用的方法，包括以下步骤：

（1） 预处理：将收集的棉杆皮芯分离后，切成长度8-12cm，筛选后，进入连续预浸机与含0.4%%稀硫酸的水溶液进行预浸，固液比为1：6。

（2）挤干：将在连续预浸机中浸胀后的物料进行脱水，使其含水量为40%；

（3） 汽爆处理：将脱水后的棉杆进入汽爆装置中进行汽爆处理；汽爆处理时，先用蒸汽加压至 2.0MPa，然后用压缩空气加压至3.5MPa，时间维持 120s,瞬间喷爆。

（4） 水洗提取木糖：气爆后的物料，用水提取木糖，物料与水的的质量比为1：10，提取温度80℃，时间20min；提取液用微滤膜、超滤膜、纳滤膜分离精制得到20%浓度的木糖液，用于生产糠醛。将汽爆后的棉杆进行水洗，水洗液与上述提取液合并处理，水洗后固体物进行脱水，含水量至45Wt% 。

（5） 将脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，水解的条件是:固液比为1：10，水解温度115℃，硫酸用量2.4%，水解时间2.5h。得到木糖水解液，水解后的固体物料用清水水洗至中性；

（6）水解液与水洗水经双极膜回收硫酸后，与步骤（4）中水洗液合并回收木糖。

（7）水洗至中性的固体物料在反应釜中配成18%的浆料，加入5%的KOH，温度控制在130℃，反应1.5h，反应物进行压滤得到的固体物料为纤维素，水洗至中性用于造纸。

（8）压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩至30%、喷雾干燥，得到粉状木质素钾，用于配制复合肥。

所述棉秆中半纤维素、纤维素、木质素分离过程中，使用膜精制透过的水全部回用，无有废水排放。本发明中木糖对半纤维素的转化率为96%。

实施例3：

棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离及全质化利用的方法，包括以下步骤：

（1） 预处理：将收集的棉杆皮芯分离后，切成长度8-12cm，筛选后，进入连续预浸机与含0.4%%稀硫酸的水溶液进行预浸，固液比为1：6。

（2）挤干：将在连续预浸机中浸胀后的物料进行脱水，使其含水量为40%；

（3） 汽爆处理：将脱水后的棉杆进入汽爆装置中进行汽爆处理；汽爆处理时，先用蒸汽加压至 2.0MPa，然后用压缩空气加压至5MPa，时间维持 120s,瞬间喷爆。

（4） 水洗提取木糖：气爆后的物料，用水提取木糖，物料与水的的质量比为1：10，提取温度80℃，时间20min；提取液用微滤膜、超滤膜、纳滤膜分离精制得到20%浓度的木糖液，用于生产糠醛。将汽爆后的棉杆进行水洗，水洗液与上述提取液合并处理，水洗后固体物进行脱水，含水量至45Wt% 。

（5） 将脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，水解的条件是：固液比为1：10，水解温度115℃，硫酸用量2.4%，水解时间2.0h。得到木糖水解液，水解后的固体物料用清水水洗至中性；

（6） 水解液与水洗水经双极膜回收硫酸后，与步骤（4）中水洗液合并回收木糖。

（7）水洗至中性的固体物料在反应釜中配成18%的浆料，加入5%的KOH，温度控制在130℃，反应1.5h，反应物进行压滤得到的固体物料为纤维素，水洗至中性用于造纸。

（8）压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩至30%、喷雾干燥，得到粉状木质素钾，用于配制复合肥。

所述棉秆中半纤维素、纤维素、木质素分离过程中，使用膜精制透过的水全部回用，无有废水排放。本发明中木糖对半纤维素的转化率为94%。

实施例4：

棉杆中纤维素、半纤维素、木质素的分离及全质化利用的方法，包括以下步骤：

（1） 预处理：将收集的棉杆皮芯分离后，切成长度8-12cm，筛选后，进入连续预浸机与含0.4%%稀硫酸的水溶液进行预浸，固液比为1：6。

（2）挤干：将在连续预浸机中浸胀后的物料进行脱水，使其含水量为40%；

（3） 汽爆处理：将脱水后的棉杆进入汽爆装置中进行汽爆处理；汽爆处理时，先用蒸汽加压至 2.0MPa，然后用压缩空气加压至3.5MPa，时间维持 120s,瞬间喷爆。

（4） 水洗提取木糖：气爆后的物料，用水提取木糖，物料与水的的质量比为1：10，提取温度80℃，时间20min；提取液用微滤膜、超滤膜、纳滤膜分离精制得到20%浓度的木糖液，用于生产糠醛。将汽爆后的棉杆进行水洗，水洗液与上述提取液合并处理，水洗后固体物进行脱水，含水量至45Wt% 。

（5） 将脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，水解的条件是:固液比为1：10，水解温度115℃，硫酸用量3%，水解时间2.0h。得到木糖水解液，水解后的固体物料用清水水洗至中性；

（6） 水解液与水洗水经双极膜回收硫酸后，与步骤（4）中水洗液合并回收木糖。

（7）水洗至中性的固体物料在反应釜中配成18%的浆料，加入5%的KOH，温度控制在130℃，反应1.5h，反应物进行压滤得到的固体物料为纤维素，水洗至中性用于造纸。

（8）压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩至30%、喷雾干燥，得到粉状木质素钾，用于配制复合肥。

所述棉秆中半纤维素、纤维素、木质素分离过程中，使用膜精制透过的水全部回用，无有废水排放。本发明中木糖对半纤维素的转化率为97%。

虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。

Claims (7)

1.棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，其特征在于包括以下步骤：

（1） 预处理：将收集的棉杆进行皮芯分离后，切成长度8-12cm后进入连续预浸机，与含稀硫酸的水溶液进行预浸；

（2）挤干：将步骤（1）中在连续预浸机中浸胀后的物料进行脱水，使其含水量为30-60%；

（3） 汽爆处理：将脱水后的棉杆进入汽爆装置中进行汽爆处理；

（4） 水洗提取木糖：将汽爆后的棉杆进行水洗，得到的水洗液用纳滤膜提取木糖，然后将固体物进行脱水，使含水量至40-50wt% ；

（5） 将步骤（4）中脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，得到木糖水解液，水解后的固体物料用清水水洗至中性；

（6）将步骤（5）中的木糖水解液与水洗水经双极膜回收硫酸后，与步骤（4）中水洗液合并回收木糖。

2.如权利要求1所述棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，其特征在于：该方法还包括步骤（7），将步骤（5）中水洗至中性的固体物料在反应釜中配成质量浓度为15-20%的浆料，加入3-6%的KOH，温度控制在120-150℃，反应1-3h，将反应后的物质进行压滤，滤液为木质素钾；固体物料水洗至中性直接用于造纸；

（8）步骤（7）中得到的压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩、喷雾干燥，用于配制复合肥。

3.根据权利要求1所述棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，其特征在于：步骤（1）中稀酸水溶液中的质量浓度为0.1% ～ 1.0%；棉杆的质量g与稀酸水溶液的体积ml比为1:6。

4.根据权利要求1 所述棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，其特征在于：汽爆处理时，先用蒸汽加压至1.0MPa ～ 2.5MPa，然后用压缩空气加压至3-5MPa，时间维持30s ～ 180s。

5.根据权利要求1 所述棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，其特征在于：步骤（4）中将汽爆后的棉杆进行水洗，水洗液用纳滤膜提取木糖，汽爆后的棉杆与水的质量比为1：10，提取温度70-90℃，时间15-30min；提取液依次用微滤膜、超滤膜、纳米膜分离精制得到20%浓度的木糖液，用于生产糠醛。

6.根据权利要求1 所述棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，其特征在于：步骤（5）中将脱水后的固体物在硫酸存在下进行水解，其水解的条件为:固体质量g与液体体积ml比为1：8，水解温度120℃，硫酸用量2.4%，水解时间1-3h。

7.根据权利要求2所述棉杆中纤维素、半纤维素和木质素的分离方法，，其特征在于：步骤（8）中得到的压滤液和固体物料的水洗水经反渗透膜浓缩至30wt%，然后进行喷雾干燥，得到木质素钾，其中固体物料水洗时，固体质量g与液体体积ml比为1：10。