一種從竹材中分離提取纖維素和木質素的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及生物質預處理及組分分離技術，尤其是一種從竹材中分離提取木質素和半纖維素的方法。
【背景技術】
[0002]由于具有安全、綠色、可再生等優(yōu)點，生物質被認為是一種最佳的替代能源。纖維素和半纖維素和木質素是自然界中廣泛存在、儲量最豐富的生物質高分子。纖維素是由葡萄糖分子通過糖苷鍵連接而形成的葡聚糖，由于具有無污染、生物相容性好、易降解等優(yōu)點，廣泛應用與防治、輕工、化工、醫(yī)藥和能源等部門。木質素是由丙烷單元構成的天然芳香族高分子，可廣泛應用于合成樹脂、表面活性劑等領域。纖維素和木質素的分離和高值化技術逐漸得到了廣泛的關注。
[0003]天然的木質纖維素的結構復雜，纖維素分子鏈內存在分子內和分子間的氫鍵，并以多層的空間結構形成了高結晶性的纖維素結晶結構，同時木質素通過阿魏酸或對香豆酸與半纖維素側鏈阿拉伯糖0-5位連接形成木質素-阿魏酸(對香豆酸)-半纖維素特殊的橋式交聯結構，而木質素與纖維素之間以范德華力或氫鍵結合。因此，組分的分離需要同時實現預處理對不同組分之間的選擇性作用和對三種組分之間連接的有效打斷。
[0004]相比于傳統的用有機溶劑或強酸強堿溶液來預處理生物質，離子液體具有綠色無污染、可重復使用等優(yōu)勢。作為常用的預處理生物質的離子液體，咪唑類離子液體因其較好的穩(wěn)定性和較優(yōu)的溶解工藝條件，得到了廣泛的應用。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種采用基于離子液體的溶劑體系預處理生物質來分離提取竹材中纖維素和木質素的方法，該方法所需設備簡單、工藝簡便、處理時間短、條件溫和，且不會造成附加環(huán)境危害，實現了竹材莖桿的高效預處理，提高了生物質資源利用的效率，為后續(xù)的高值化利用提供了一定的便利。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現:
[0007 ] 一種從竹材中分離提取纖維素和木質素的方法，包括如下步驟:
[0008]I)將竹材粉末和離子液體混合溶劑加入高壓反應釜中，竹材粉末與混合溶劑的用量比為lg/ml-lg/30ml;向反應釜中通入惰性氣體置換空氣，控制反應溫度120-180°C，反應4-10個小時;所述離子液體混合溶劑由1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、乙醇和水混合而成；
[0009]2)取出反應產物，減壓抽濾，并用乙醇洗滌殘渣，洗凈后的殘渣即為再生纖維素；對抽濾所得濾液進行旋轉蒸發(fā)得到濃縮液，并回收乙醇;濃縮液中加入適量去離子水，靜置得到含有沉淀物的混合液；
[0010]3)對上述混合液進行離心，然后固液分離，所得固相先后用乙醇和去離子水洗滌，洗凈即為再生木質素。
[0011 ]步驟3)所述固液分離后所得液相產物經減壓蒸餾回收離子液體。
[0012]所述減壓蒸餾是采用旋轉蒸發(fā)儀在40_100°C水浴條件下進行的。
[0013]所述離子液體混合溶劑中1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽(AmimCl)、乙醇和水的體積比為 1-4:2-8:0.7-0.8。
[0014]所述離子液體混合溶劑的制備:將混合后的溶劑在10_50°C下于恒溫搖床處理1-10小時，形成均勻透明的溶液。
[0015]所述竹材粉末是將竹子莖桿粉碎后篩選出20-80目的粉末。
[0016]步驟2)所述濃縮液與去離子水的體積比為1:5-1:15。
[0017]步驟2)所述洗凈后的殘渣于55_100°C烘干6-10小時后即得再生纖維素。
[0018]步驟3)所述離心的轉速為4000-10000rpm/min，時間為10_30min。
[0019]步驟3)所得固相洗凈后于45_100°C烘干6-10小時后即得再生木質素。
[0020]與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果如下:
[0021]I)采用了基于離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽(AM頂Cl)的溶劑體系來預處理竹材，體系中的離子液體和乙醇可以通過旋轉蒸發(fā)來回收重復使用，降低了預處理過程的試劑成本，同時也避免了對環(huán)境的污染，方法具有很好經濟性和環(huán)保性。
[0022]2)本發(fā)明采用可循環(huán)使用的咪唑類離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽(AmimCl)與乙醇和水組成的綠色環(huán)保的溶劑體系對抽提后的竹粉進行預處理，通過打斷纖維素、半纖維素和木質素之間的交聯結構以及對溶劑體系中各組分的比例的調節(jié)，使體系選擇性地溶解木質素、降解半纖維素和保留纖維素，整個處理工藝各階段得到的產物的分離效率高和結構完整性好。本發(fā)明可以有效提取出竹類中92-97%的纖維素以及63-72%的木質素，兩種產品的純度均在90 %以上。
[0023]3)該方法所需設備簡單、工藝簡便、處理時間短、條件溫和且不會造成附加的環(huán)境危害，實現了對各類竹材的高效預處理和組分分離，提高了生物質資源利用效率并降低了試劑成本，解決了竹材利用中除纖維素外其他組分利用程度低的難題。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明方法實施例2制備的纖維素產品的紅外譜圖。
[0025]圖2為本發(fā)明方法實施例2制備的木質素產品的紅外譜圖。
[0026]圖3為本發(fā)明方法實施例2制備的纖維素產品的X射線衍射(XRD)譜圖。
[0027]圖4為本發(fā)明方法實施例2制備的木質素產品的1H-NMR核磁共振氫譜。
[0028]圖5為本發(fā)明方法實施例2制備的木質素產品的TG-DTG譜圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數，可參照常規(guī)技術進行。
[0030]在以下實施例中，所述溶劑體系是由離子液體1-烯丙基-3 -甲基咪唑氯鹽(AMIMCl)、乙醇和水以3:7:0.4的體積比混合而成，混合后的溶劑在30°C下在恒溫搖床震蕩器中處理I小時后得到的均勻溶液。
[0031]實施例1
[0032]1.—種從竹子中提取分離纖維素和木質素的方法，具體步驟如下:
[0033]I)將毛竹莖桿粉碎后篩選出40-60目的粉末，在真空干燥箱中于80土 5°C、0.0lMpa條件下烘干；
[0034]2)向高壓反應釜中先后加入1g竹子粉末和10ml離子液體混合溶劑，適當搖動使固液兩相混合均勻；
[0035]3)啟動高壓反應釜，打開通氣閥門，通入氮氣置換空氣，重復三次，關閉通氣閥門。控制反應溫度160°C，反應6個小時；
[0036]4)反應完后待反應物冷卻至室溫后取出反應產物，采用布氏漏斗進行減壓抽濾，并用乙醇洗滌殘渣，洗凈后的殘渣再真空干燥箱中60 ± 5°C、0.0 IMpa條件下烘干6小時后得到目標產品，即為再生纖維素；
[0037]5)對抽濾得到的濾液于60±5°C、0.02Mpa進行旋轉蒸發(fā)得到濃縮液，并回收乙醇；
[0038]6)所得96ml ±2ml濃縮液中加入500ml去離子水，靜置12小時，得到含有沉淀物的混合液；
[0039]7)對上述混合液以4000rpm/min轉速離心1min，然后用布氏漏斗進行減壓過濾分離；
[0040]8)先后用乙醇和去離子水洗滌固液分離后所得固相，洗凈后于50±5°C烘干得到目標產品，即為再生木質素。
[0041]9)固液分離后所得液相產物經旋轉蒸發(fā)儀在80°C、0.02Mpa水浴條件下減壓蒸餾得到濃縮液，即為回收的離子液體，重復循環(huán)使用。
[0042]檢測結果表明:毛竹莖桿經過離子液體溶劑體系的預處理和后續(xù)的提取分離，所得纖維素的得率為94 % ± 2 %，純度為95 % ± I %，木質素的得率為67 % ± 4%，純度為93 土2%，所述纖維素得率為再生的纖維素質量與竹材莖桿中纖維素的質量比值，所述木質素得率為再生的纖維素質量與竹材莖桿中木質素的質量比值。離子液體經旋轉蒸發(fā)儀在80°C、
0.02Mpa水浴條件下減壓蒸餾回收，回收率為96% ±1%。實驗中用于洗滌殘渣然的乙醇通過旋轉蒸發(fā)儀于60 ± 5°C、0.02Mpa水浴條件下減壓蒸餾回收，回收率為98 % ± I %。
[0043]實施例2
[0044]1.—種從竹子中先后提取分離纖維素和木質素的方法，步驟如下:
[0045]I)將方竹莖桿粉碎后篩選出40-60目的粉末，在真空干燥箱中于80土 5°C、0.0lMpa條件下烘干；
[0046]2)向高壓反應釜中先后加入50g竹子粉末和500ml離子液體混合溶劑，適當搖動使固液兩相混合均勻；
[0047]3)啟動高壓反應釜，打開通氣閥門，通入氮氣置換空氣，重復三次，關閉通氣閥門?？刂品磻獪囟?60°