CN111472186A - 一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法。其基本步骤如下：粉碎后的秸秆过筛选出长纤维原料；筛选出的长纤维原料经热水浸泡除去非结构成分；水不溶秸秆经水热预处理后用碱法抽提；碱处理后的秸秆经高沸醇提取木质素后用亚氯酸钠酸性溶液漂白；漂白后的样品经充分洗涤后抄制浆板制得秸秆溶解浆成品。本发明的优势在于流程简单易操作，使用较低成本生产优质农作物秸秆溶解浆，同时秸秆中三大组分得到有效分离利用，且生产工艺实用性强，具有良好的工业应用潜质。

Description

一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法
技术领域
本发明涉及浆粨制浆技术领域，特别涉及一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法。
背景技术
农作物秸秆作为一种最具代表性的木质纤维素原料，年产量高达6.87亿吨，数量庞大且廉价易得。通常情况下，收割后的农作物秸秆被直接丢弃或者就地焚烧，资源浪费的同时对环境造成污染。农作物秸秆作为一种未被充分开发利用的巨大生物质资源，研究其转化利用生产下游产品的技术具有潜在的价值。目前，用以生产纤维素粘胶纤维的浆原料多以木材或者棉绒为主，但是随时森林资源的日益减少和纺织类用棉需求的日益增加，以木材或者棉绒生产粘胶纤维的原料供应日趋紧张，为此寻找新的原料并开发其完善的粘胶纤维制备工艺具有重要的现实意义。而纤维素作为农作物秸秆中最主要的组成成分，无疑是一种优质待开发利用的潜在粘胶纤维制备原料。
河北京狮草纤维制品有限公司公开了“一种麦秆人造纤维溶解浆的制备方法”(申请号95109738.5)，该方法以麦秆为原料，经湿法备料、蒸煮、漂白制浆等六个工艺步骤后，制得人造纤维溶解浆，该法虽拓宽了人造纤维溶解浆的用料范围，但该法制备过程中缺乏对木质素及半纤维素两大关键组分的分离综合利用，因而造成资源浪费的同时相对经济效益低。山东海龙股份有限公司公开了“采用玉米杆制备漂白溶解浆的方法”(申请号200710014649.9)，该法将玉米杆碱液浸渍处理后蒸煮，碱法制浆后得成品浆产品，该法开发出玉米杆制浆的新工艺，但同样确定对原料组分的有效分离综合利用，因而不利于降低成本，相对经济效益有待提高。
发明内容
本发明旨在利用水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆，同时对秸秆中的木质素及半纤维素两大关键组分的有效分离综合利用，提供一种适用、简便且高效的优质秸秆溶解浆的生产工艺。本发明的优势在于流程简单易操作，使用较低成本生产优质秸秆溶解浆，通过多种技术工艺的交叉融合，完成秸秆各组分的定向分离转化，且生产工艺实用性强，具有良好的工业应用潜质。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
(1)原料制备：玉米、小麦、水稻、高粱等的秸秆经风干、粉碎后过筛，筛选出粒径为3～5cm的长纤维部分备用；筛掉的细小部分秸秆可直接用于发酵生产沼气或用作提取半纤维素、木质素及其衍生产品的实验原料。
(2)非结构性成分去除：筛选出的长纤维原料经热水浸泡除去非结构成分，得水不溶秸秆。研究表明，原始秸秆中含有一些水溶性多糖、淀粉、无机盐等水溶性大分子以及蜡质、磷脂、色素等一些脂溶性非结构性成分。这些非结构性成分的存在明显增大糖液的粘度，降低固液分离速率；而脂溶性物质中蜡质层的存在会使木质纤维素具有疏水性，阻碍反应物分子接触秸秆表面；基于此，需对原料进行预处理，以减少产物中的杂质含量并降低产品色值。
(3)水热预处理：将水不溶秸秆与水按固液比1:5-1:20置于水热反应器中，加热至150℃-230℃，处理0-2h。水热预处理作为一种新型绿色反应工艺，处理过程不需要添加任何化学品，无腐蚀性，环境友好且处理原料广泛，现已广泛运用于各个领域。利用高温高压液态水的独特性能对原料进行预处理，打破农作物秸秆中固有的抗降解屏障，有利于其后续转化利用，提高秸秆的综合利用效率。
(4)碱法抽提：经水热预处理后的秸秆与质量分数为5％-10％(w/v)氢氧化钠溶液按固液比1:5-1:20，加热至50℃-100℃，抽提0-2h。该碱法抽提步骤主要用于提取农作物秸秆中的半纤维素组分。在众多半纤维素的提取方法中，碱液可以使木质素和半纤维素之间的酯键发生皂化，在不降低半纤维素相对分子质量的前提下使其溶出，同时，较少的糖类组分降解，更有利于半纤维素的后续改性。此外，碱性预处理对于木聚糖的裸露效果表现出了最佳性能，使其适宜进行内切木聚糖酶反应，从而提高低聚木糖的产率。
(5)高沸醇处理：将碱处理后的秸秆与质量分数为50％-80％(w/v)1,4-丁二醇按固液比1:5-1:20，加热至100℃-200℃，反应0-2h。该高沸醇处理步骤主要提取秸秆中的木质素组分。高沸醇溶液在高温条件下对木质纤维素中的木质素具有很好的溶出效果而作为一种新发展起来的制浆工艺。该工艺操作简单、无污染且溶剂易回收利用。
(6)漂白：将上述原料与质量分数为1％-6％(w/v)亚氯酸钠酸性溶液(乙酸调节pH＝3.6-3.8)按固液比1:10-1:20，加热至50℃-80℃，漂白处理0-2h。亚氯酸钠作为一种较温和的氧化剂，除了具有漂白的功能外，还有很强的去杂能力，其在碱性条件下较稳定，在酸性条件下易分解，反应迅速且漂白效果理想，现已广泛运用于棉、麻、苇类、黏胶纤维等各大领域的漂白工艺。
(7)抄制浆板：漂白后的样品经充分洗涤后抄制浆板制得秸秆溶解浆成品。
本发明具有以下特点和优势：
(1)通过环境友好型的水热预处理新型绿色反应工艺对原料进行预处理，打破农作物秸秆中固有的抗降解屏障，有利于其后续转化利用，提高秸秆的综合利用效率；
(2)本发明提供一种适用、简便且高效的提高农作物秸秆溶解浆品质的生产工艺；
(3)本发明将农作物秸秆中三大组分得到有效分离利用，提高农作物秸秆的综合利用效率；
(4)本发明流程简单易操作，使用较低成本生产优质农作物秸秆溶解浆，且生产工艺实用性强，具有良好的工业应用潜质。
附图说明
图1农作物秸秆溶解浆生产工艺流程
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
玉米秸秆经风干、粉碎后过筛，筛选出粒径为3～5cm的长纤维部分；筛选出的长纤维秸秆与热水按固液比1:15(g/mL)混合，浸泡1h，以除去秸秆中的非结构成分，得到水不溶秸秆；再将水不溶秸秆与水按固液比1:5置于水热反应器中，加热至150℃，处理1h；经水热预处理后的秸秆与质量分数为5％(w/v)氢氧化钠溶液按固液比1:5，加热至50℃，抽提1h；将碱处理后的秸秆与质量分数为50％(w/v)1,4-丁二醇按固液比1:5，加热至100℃，反应1h；将上述原料与质量分数为1％(w/v)亚氯酸钠酸性溶液(乙酸调节pH＝3.6)按固液比1:10，加热至50℃，漂白处理1h；漂白后的样品经充分洗涤后抄制浆板制得秸秆溶解浆成品。其中浆得率为26.32％，甲种纤维素含量为91.02％，白度87％，聚合度902，灰分≤0.62％。
实施例2
玉米秸秆经风干、粉碎后过筛，筛选出粒径为3～5cm的长纤维部分；筛选出的长纤维秸秆与热水按固液比1:15(g/mL)混合，浸泡1h，以除去秸秆中的非结构成分，得到水不溶秸秆；再将水不溶秸秆与水按固液比1:15置于水热反应器中，加热至200℃，处理0.5h；经水热预处理后的秸秆与质量分数为10％(w/v)氢氧化钠溶液按固液比1:10，加热至90℃，抽提2h；将碱处理后的秸秆与质量分数为60％(w/v)1,4-丁二醇按固液比1:15，加热至150℃，反应1h；将上述原料与质量分数为6％(w/v)亚氯酸钠酸性溶液(乙酸调节pH＝3.7)按固液比1:15，加热至75℃，漂白处理2h；漂白后的样品经充分洗涤后抄制浆板制得秸秆溶解浆成品。其中浆得率为28.24％，甲种纤维素含量为95.32％，白度92％，聚合度889，灰分≤0.36％。
实施例3
玉米秸秆经风干、粉碎后过筛，筛选出粒径为3～5cm的长纤维部分；筛选出的长纤维秸秆与热水按固液比1:15(g/mL)混合，浸泡1h，以除去秸秆中的非结构成分，得到水不溶秸秆；再将水不溶秸秆与水按固液比1:20置于水热反应器中，加热至230℃，处理2h；经水热预处理后的秸秆与质量分数为10％(w/v)氢氧化钠溶液按固液比1:20，加热至90℃，抽提2h；将碱处理后的秸秆与质量分数为80％(w/v)1,4-丁二醇按固液比1:20，加热至200℃，反应2h；将上述原料与质量分数为6％(w/v)亚氯酸钠酸性溶液(乙酸调节pH＝3.8)按固液比1:20，加热至80℃，漂白处理2h；漂白后的样品经充分洗涤后抄制浆板制得秸秆溶解浆成品。其中浆得率为27.15％，甲种纤维素含量为93.11％，白度90％，聚合度832，灰分≤0.42％。

Claims (6)

1.一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法，其特征在于包括以下生产工艺步骤：
(1)原料制备：秸秆经风干、粉碎后过筛，筛选出粒径为3～5cm的长纤维部分备用；
(2)非结构性成分去除：筛选出的长纤维原料经热水浸泡除去非结构成分，得水不溶秸秆；
(3)水热预处理：将水不溶秸秆置于水热反应器中加热至一定温度处理相应时间；
(4)碱法抽提：经水热预处理后的秸秆用适宜浓度的氢氧化钠溶液于抽提；
(5)高沸醇处理：将碱处理后的秸秆经1,4-丁二醇处理提取木质素；
(6)漂白：将上述原料用一定浓度的亚氯酸钠酸性溶液进行漂白处理；
(7)抄制浆板：漂白后的样品经充分洗涤后抄制浆板制得秸秆溶解浆成品。
2.如权利要求1所述的一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法，其特征在于所述的水热预处理条件为：原料与水按固液比1:5-1:20，温度150℃-230℃，反应时间0-2h。
3.如权利要求1所述的一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法，其特征在于所述的碱法抽提条件为：质量分数为5％-10％(w/v)氢氧化钠溶液，固液比1:5-1:20，温度50℃-100℃，反应时间0-2h。
4.如权利要求1所述的一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法，其特征在于所述的高沸醇处理条件为：原料与质量分数为50％-80％(w/v)1,4-丁二醇按固液比1:5-1:20，温度100℃-200℃，反应时间0-2h。
5.如权利要求1所述的一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法，其特征在于所述的漂白条件为：质量分数为1％-6％(w/v)亚氯酸钠溶液，固液比1:10-1:20，用乙酸调节pH＝3.6-3.8，温度50℃-80℃，反应时间0-2h。
6.如权利要求1所述的一种水热预处理制备优质农作物秸秆溶解浆的方法，其特征在于所述的农作物秸秆为：玉米、小麦、水稻、高粱等的秸秆。
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