TWI593841B

TWI593841B - 電化學法萃取植物纖維之萃取方法

Info

Publication number: TWI593841B
Application number: TW104109950A
Authority: TW
Inventors: 黃思倫; 鍾志鴻
Original assignee: 黃思倫; 鍾志鴻
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2017-08-01
Also published as: TW201634767A

Description

電化學法萃取植物纖維之萃取方法

【0001】

本發明是有關於一種植物長纖維的萃取方法，特別是有關於一種利用電化學處理取得植物長纖維的萃取方法。

【0002】

植物纖維（Vegetable Fibers）中，主要成分為纖維素，所以又稱纖維素纖維（Cellulose Fibers）。纖維素是世界上最豐富的天然有機物，是組成植物細胞壁的主要成分。棉花、亞麻、芋麻和黃麻部含有大量優質的纖維素。木頭中纖維素含量約為50％，棉花的纖維素含量更高，達90%。

【0003】

常見之植物纖維來源有：棉花的纖維素含量接近100％，為天然的最純纖維素來源。一般木材中，纖維素佔40～50％，還有10～30％的半纖維素和20～30％的木質素。此外，麻、麥稈、稻、甘蔗渣、香蕉假莖及鳳梨葉等，都是纖維素的豐富來源。纖維素亦是重要的造紙原料。

【0004】

一般來說，天然纖維會被稱為短纖，因為天然纖維都在一個有限長度裡。纖維的長度與紗的品質有很大關連，且長纖維做成的紗較短纖維所做的強韌，均齊且有光澤。因此若能生產長度越長的天然纖維，售價將越高。

【0005】

目前植物纖維素之來源方法，有生物化學法和機械提取法，生物化學法是將植物組織用生物和化學溶液浸泡，使纖維周圍的組織破壞，再經過人工刮取、清洗後獲得纖維；機械提取法是利用機械力破壞纖維周圍組織，並且進行纖維和葉渣分離，最後經過清洗獲得纖維。

【0006】

然而，生物化學法的處理過程中需使用有機溶劑，例如氯、亞氯酸鹽、二氧化氯、過乙酸，除去所含的木質素，若植物組織中含有膠質或大量的半纖維，亦須使用化學藥劑、酵素或菌種將其除去，方製得純纖維素。

【0007】

然而，此種方式須使用化學藥劑，爾後亦需再經過漂白等工序，相當耗費人力。而機械提取法是利用機械力破壞組織，只適合取得處理短纖維植物，因此，無法取得較長的纖維。為改善上述之問題，有必要提出其他種植物纖維的萃取方式，以簡化其製造流程，並同時減化學藥劑對環境的汙染。

【0008】

有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提供一種植物纖維的萃取方法，可大量的減少人力的使用，且不須使用較具毒性的化學藥劑。

【0009】

基於上述目的，本發明係提供一種電化學法萃取植物纖維之萃取方法，包含下列步驟設置電解裝置，電解裝置可包含電解液以及電極組，電極組的一端浸泡於電解液中，電解液可包含第一活性氧離子。浸泡植物組織於電解液中。以及利用電極組於電解液中提供電位差，並進行第一預定時間的電解反應，使植物組織表面的植物蠟降解，而自植物組織中取得植物纖維。

【0010】

較佳地，本發明之萃取方法更包含浸泡完成電解反應之植物組織於浸泡液中，浸泡液可包含第二活性氧離子，植物組織係於浸泡液中浸泡第二預定時間。

【0011】

較佳地，第一活性氧離子及第二活性氧離子係來自過氧化物。

【0012】

較佳地，電解液可包含體積百分比介於0.1%至8%的過氧化氫、重量百分比介於1%至5%的氯化鈉。

【0013】

較佳地，第一預定時間或/及第二預定時間介於5小時至30小時之間。

【0014】

較佳地，植物組織包含取自莖、葉、假莖、果實、花或花苞。

【0015】

較佳地，植物組織的來源包含香蕉、鳳梨、亞麻、芋麻、黃麻、藤、桑皮、檀樹、芙蓉、大麥、小麥、稻、芒草、玉米、甘蔗、艷山薑、芋頭、落花生、蕃薯、海帶、銅藻、椰子或竹子。

【0016】

基於上述目的，本發明再提供一種布料材料，係由上述之萃取方法取得之植物纖維製備而得。

【0017】

承上所述，本發明之電化學植物纖維萃取方法，具有以下好處：

【0018】

(1)與機械提取法相較之下，電化學法不需再經過機械力破壞組織，可直接於電解液中浸泡植物組織，進行氧化或還原作用，即可取較純的纖維，因此，此方法適合用於取得較長的纖維。

【0019】

(2)電解反應是在常溫常壓下進行的，其操作條件溫和、反應選擇性好、較小、且較易控制。

【0020】

(3)於本案的實施例中，係於電解液中加入過氧化氫，並於溶液中提供自由基氧離子(‧OH)，於電解反應下可加速植物組織中的膠質及半纖維的還原反應，而從植物組織上分解，而留下難反應的纖維。且加入過氧化氫後的電解液，再經過電化學反應後，會將溶於電解液中的有機物分解為二氧化碳、水和簡單有機物，使最終廢水的毒性較小。

【0021】

為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。

【0054】

100‧‧‧植物組織
10‧‧‧反應槽
20‧‧‧電解液
30‧‧‧電極組
-‧‧‧負極
+‧‧‧正極
31‧‧‧電源供應模組
40‧‧‧容置室
50‧‧‧分隔板
S10~S12、S20‧‧‧步驟10~步驟12、步驟20

【0022】

第1圖係為本發明之電化學法萃取植物纖維之步驟流程圖。

【0023】

第2圖係為本發明之電化學反應裝置之第一實施例示意圖。

【0024】

第3圖係為本發明之電化學反應裝置之第二實施例示意圖。

【0025】

第4圖係為本發明之電化學反應裝置之第三實施例示意圖。

【0026】

為利貴審查員瞭解本發明之發明特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

【0027】

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

【0028】

請參閱第1圖，其係為本發明之電化學法萃取植物纖維之步驟流程圖，其主要包含以下步驟：

【0029】

步驟S10，設置電解裝置，電解裝置中可包含電解液以及電極組，電極組的一端浸泡於電解液中，且電解液中含有第一活性氧離子。

【0030】

步驟S11，浸泡植物組織於電解液中。

【0031】

步驟S12，利用電極組於電解液中提供電位差，並進行第一預定時間的電解反應，使植物組織表面的植物蠟降解，而自植物組織中取得植物纖維。

【0032】

在本發明的實施例中，電解液中的第一活性氧離子的來源可包含過氧化物，例如過氧化物可為金屬過氧化物、過氧化氫、過氧化尿素，但不以此為限，過氧化物於溶解於水中時會產生活性氧離子，且植物組織進行電解時，上述活性氧離子可使植物表面的植物蠟進行分解。

【0033】

在本發明的實施例中，是使用過氧化氫昨為第一活性氧離子的來源，其於電解液中的起始濃度可介於電解液的體積百分比0.1%至8%之間，其數值可為0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、6%、7%或8%。

【0034】

在本發明的實施例中，電解液中的電解質可包含酸、鹼、鹽類或其組合，但不以此為限，化合物能於水中解離並使水溶液可導電，例如於電解液中可包含重量百分比濃度介於1%至5%的氯化鈉，其數值可為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%。

【0035】

在其中一個實施例中，電解液中包含植物汁液，因其具有豐富的有機酸作為電解質，且於上述的實施例中植物汁液中的有機物可緩和活性氧離子分解植物蠟的效率，使電解取得的植物纖維不會因過度分解而脆化，且天然植物萃取液中亦同時提供了弱酸的環境，有助於半纖維的水解反應。

【0036】

在其中一個實施例中，由電極組所傳遞或提供的電位差可藉於1.0伏特至3.0伏特之間，較佳的，可為1.1伏特、1.2伏特、1.3伏特、1.4伏特、1.5伏特、1.6伏特、1.7伏特、1.8伏特、1.9伏特、2.0伏特、2.2伏特、2.4伏特、2.6伏特、2.8伏特、3.0伏特，電解液中存在活性氧離子的狀態下，會使溶液內的離子流動速率加快，意即電解液中的電流是維持在相對高的狀態下，因此施加進行電解的電壓不需太高。

【0037】

在本發明的實施例中，可取得植物纖維的植物組織，其植物組織的位置可包含莖、葉、假莖、果實、花或花苞，植物組織的取得來源可包含香蕉、鳳梨、亞麻、芋麻、黃麻、藤、桑皮、檀樹、芙蓉、大麥、小麥、稻、芒草、玉米、甘蔗、艷山薑、芋頭、落花生、蕃薯、海帶、銅藻、椰子或竹子。

【0038】

香蕉屬大型草本植物，生長快速、生質量大，生育期雖長達一年，香蕉假莖在果時採收之後多半被視為無用之廢物加以砍除，以便種植新的香蕉植株，砍除後之香蕉假莖須要另外清運處理，形成資源的浪費，於本發明的其中一個實施例中，使用電化學萃取法取得香蕉假莖的纖維，且萃取的方式為浸泡，因此取得植物纖維的長度僅受限於浸泡前植物纖維的長度，而不受限於取得纖維處理過程，因此可取得較長的植物纖維。

【0039】

植物蠟的組成主要為半纖維素(Hemicellulose)，是與共同存在於大多數植物的一類（矩陣型多糖，如阿拉伯木聚糖）。半纖維素是隨機分布的，常結合在纖維素的表面並且相互連接，屬非結晶結構且強度低，在稀酸稀條件下或多種半纖維素酶作用下易於。將植物組織浸泡於含有活性氧離子的電解液中，等同於使半纖維素處於可促使氧化的環境下，因此可促進植物蠟分解。

【0040】

相較之下組成植物纖維的纖維素，是呈現結晶形的、韌度強、抗水解，聚合度為7000-15000，除了稀酸或纖維素酶之外，纖維素不易產生水解，於本發明中利用電化學法可促使植物組織表面的半纖維素快速分解，但不至於大量減少纖維素的含量。

【0041】

於同時含有過氧化物(例如過氧化氫)與電解質的溶液中進行通電時，活性氧離子(例如過氧根離子)會增溶液中離子的流動，因而減少電解質液的歐姆損失(ohmic loss)或質量傳輸損失(mass transport losses)，進而提升電流強度，增加反應效率。在本發明的其中一個實施例中，係比較相同的植物組織，同時浸泡於進行通電或不通電的電解液中，並比較相同的處理時間下，植物蠟被分解的狀態。其結果顯示，在不通電的情況下，植物組織的表面僅被過氧化物漂白但沒有被分解，而於通電的情況下可以肉眼辨識植物纖維，此結果可顯示，於電解液中加入過氧化物並進行通電，可有效除去植物組織表面的植物蠟。

【0042】

本發明之步驟流程可依需求更包含步驟S20，浸泡完成電解反應的植物組織於浸泡液中，浸泡液中含有第二活性氧離子，且植物組織係於浸泡液浸泡第二預定時間。

【0043】

當大量的植物蠟於電解液中分解後，殘留於植物纖維上的少量植物蠟，可由於浸泡於含有第二活性氧離子的浸泡液中進行分解，第二活性氧離子可與第一活性氧離子的來源可相同或不同，只要能於浸泡液中提供活性氧離子，例如可於浸泡液中提供過氧根離子(O^2- )、氫氧自由基(．OH)，並與剩餘的植物蠟進行反應分解，此時植物蠟分解速度小於電解反應的速度，因此可由控制浸泡的時間，以取得較純的植物纖維。

【0044】

實施上，第二活性氧離子的來源可為過氧化氫，其於電解液中的起始濃度可介於電解液的體積百分比0.1%至8%之間，其數值可為0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、6%、7%或8%，但其使用濃度取決於植物組織欲浸泡的時間，以及是否造成植物纖維過度分解而脆化。

【0045】

實施上，上述的第一預定時間或/及第二預定時間可介於5小時至30小時之間，例如可為5小時、6小時、7小時、8小時、9小時、10小時、11小時、12小時、13小時、14小時、15小時、20小時、25小時、30小時，並由欲萃取的植物纖維的純度、強度或植物纖維的用途進行調整。

【0046】

實施上，電解液的成分可包含氯化鈉和過氧化氫，浸泡液的成分可包含過氧化氫，當植物組織於進行電解反應時，氯化鈉用於提供離子產生電通路，過氧化氫於提供電壓時加速產生過氧根離子或氫氧自由基，並提高電解液中的電流，且過氧化氫的濃度隨著反應時間逐漸降低。當植物組織浸泡在浸泡液中時，過氧化氫溶解於水中可提供過氧根離子或氫氧自由基，以於剩餘的植物蠟反應。因此，於本發明中，植物組織進行第一預定時間的電解反應之後，可於停止電解反應的電解液中加入足量的過氧化氫，以形成浸泡液，並使植物組織進行第二預定時間的浸泡，而原電解液中的氯化鈉的濃度不因電解反應減少，亦不影響浸泡時過氧化氫與植物蠟進行反應，進而簡化了將電解反應完成的植物纖維移至浸泡液的操作流程。

【0047】

在本發明的實施例中，電解液係包含體積百分比5%之過氧化氫及2%之氯化鈉水溶液，香蕉假莖作為植物組織，電解時將電壓固定為約1.5伏特並進行電解24小時，完成電解反應後，於電解液中再加入體積百分比5%之過氧化氫，並將香蕉假莖再浸泡24小時，最終取得香蕉假莖的植物纖維，以本發明之電化學法植物纖維萃取方法，取得之植物纖維，可除去植物組織中隨機分布的半纖維素(植物蠟)，之後可再輕刷植物組織的表面，取得保留形成條狀植物纖維的纖維素。

【0048】

並且，因取得植物纖維的長度僅受限於浸泡前植物纖維的長度，而不受限於取得纖維處理過程，可取得較長的植物纖維。於製造織布或不織布時，可提供較長的天然纖維的組成分，其強度亦相對較佳，且於製造過程中，由於電解液和浸泡液中皆含有過氧化物(過氧化氫)，最後廢液中的物質，皆會被分解成二氧化碳、水和簡單有機物，使最終廢水的毒性較小，且亦同時除去了植物纖維中的色素，再次簡化了萃取的流程。

【0049】

請參閱第2圖，其係為本發明之電化學反應裝置之第一實施例示意圖。圖中，一種電化學反應裝置可用於萃取植物組織100中的植物纖維，電化學反應裝置可包含反應槽10、電解液20以及電極組30。電解液20中可包含電解質和活性氧離子，並將其容置於反應槽10，至少一個電極組30之一端可浸泡於電解液20中，並傳遞電源供應模組31所產生的電位差至電解液20中，提供以產生電解反應。

【0050】

進行萃取之植物纖維的萃取操作時，是將植物組織100係浸泡在電解液20中，使電解液20中的活性氧離子係與植物組織100表面的半纖維素反應降解，當大部分的半纖維被分解進入電解液20中時，即取得殘留於植物組織100表面不易被分解的植物纖維。

【0051】

請參閱第3圖，其係為本發明之電化學反應裝置之第二實施例示意圖。與上述第一實施例所述之電化學反應裝置不同的是，執行電解的電位差可由至少一組電極組30所供應，於第二實施例中，電極組30可使用不同還原電位的兩種金屬，並於電極組30未接觸電解液20之一端電性連接，使電極組30、和電解液20形成完整的電通路，此時還原電位較大的電極即為正極(得到電子)，還原電位較小的電極即為負極(失去電子)，並因電極組30之間的電位差驅動電流流通，以產生電解反應。

【0052】

請參閱第4圖，其係為本發明之電化學反應裝置之第三實施例示意圖。與上述第一實施例所述之電化學反應裝置不同的是，第三實施例中，反應槽10更可包含容置室40，而容置室40可包含複數個分隔板50形成複數個容置空間，使其可於一個反應槽10內放置多個植物組織100，且每一個分隔板50的作右兩側分別設置一組電極組30的正極和負極，使容置空間的內的植物組織100可加速進行電解反應，並縮短反應時間。

【0053】

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

S10~S12、S20‧‧‧步驟10~步驟12、步驟20

Claims

【第1項】

一種電化學法萃取植物纖維之萃取方法，其包含下列步驟：
設置一電解裝置，該電解裝置係包含一電解液以及一電極組，該電極組的一端浸泡於該電解液中，該電解液係包含一第一活性氧離子；
浸泡一植物組織於該電解液中；以及
利用該電極組於該電解液中提供電位差，並進行一第一預定時間的電解反應，使該植物組織表面的植物蠟降解，而自該植物組織中取得植物纖維。
【第2項】

如申請專利範圍第1項所述之萃取方法，更包含浸泡完成電解反應之該植物組織於一浸泡液中，該浸泡液係包含一第二活性氧離子，該植物組織係於該浸泡液中浸泡一第二預定時間。
【第3項】

如申請專利範圍第2項所述之萃取方法，其中該第一活性氧離子及該第二活性氧離子係來自過氧化物。
【第4項】

如申請專利範圍第2項所述之萃取方法，其中該電解液係包含體積百分比介於0.1%至8%的過氧化氫、重量百分比介於1%至5%的氯化鈉。
【第5項】

如申請專利範圍第2項所述之萃取方法，其中該第一預定時間或/及該第二預定時間介於5小時至30小時之間。
【第6項】

如申請專利範圍第1項所述之萃取方法，其中該植物組織包含取自莖、葉、假莖、果實、花或花苞。
【第7項】

如申請專利範圍第1項所述之萃取方法，其中該植物組織的來源包含香蕉、鳳梨、亞麻、芋麻、黃麻、藤、桑皮、檀樹、芙蓉、大麥、小麥、稻、芒草、玉米、艷山薑、芋頭、落花生、蕃薯、海帶、銅藻、椰子或竹子。
【第8項】

一種布料材料，係由如申請專利範圍第1項及第2項所述之萃取方法取得之植物纖維製備而得。