一种木质纤维素三组分分离方法与流程

本发明涉及一种木质纤维素三组分分离方法。

背景技术：

随着社会及经济的飞速发展，人类对能源需求日益增加，随着矿物燃料的日益枯竭以及煤炭资源的有限性和不可再生性，必然会导致资源供给不足。再加上使用矿物燃料带来的愈发严重的环境问题（如温室效应、酸雨等），积极寻找开发利用可再生资源已经成为迫在眉睫的事情。

近年来，木质纤维素这一可再生资源的开发利用日益引起人们的关注，显示出了独特的优势。木质纤维素原料类物质包括各类农作物秸秆、木屑、玉米芯等。木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，纤维素组成微细纤维束，构成网状结构的胞壁。半纤维素和木质素分散在纤维束中及周围。常见农业秸秆中，这三种组分占总质量分数的 70%~85%。目前，对木质纤维素原料组分分离工艺主要有酸处理、氧化处理、以及有机溶剂处理方法等。但是以上处理方法存在着仅能回收部分组分，成本高昂等问题。如李春光等[玉米秸秆纤维素提取及半纤维素与木质素脱除工艺探讨[J]中国农学通报，2011,27(01):199-202]采用氢氧化钠和亚氯酸钠来进行木质纤维素组分的分离，但在此条件下，木质素脱除率仅达到64.32 %且很难回收。李丽等[苹果渣中纤维素、半纤维素的提取分离[J]食品科技，2008,40(01):132-136] 分别采取酸和传统次氯酸钠法及超声波辅助法去除木质素，但是同样存在木质素难以回收以及纤维素和半纤维素难以分离的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种木质纤维素原料三组分分离的方法。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种木质纤维素原料三组分分离的方法， 其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，纤维素的分离

将木质纤维素原料清洗干燥后粉碎得细粉，按液固比 20~30 mL/g将细粉与质量浓度5%~7% 的氢氧化钠溶液投入反应器，再加入0.01-0.02倍细粉重量的多硫酸钠加入多硫化钠， 70~85°C下反应2~3.5 h, 冷却，抽滤，将滤渣清洗干燥后，按照料液比25~40 mL/g，加入质量浓度为1%~1.5%的酸性亚氯酸钠溶液，最后在65~75 ℃下反应时间1~1.5h，真空抽滤，滤液备用，滤渣为得纤维素；

步骤2，半纤维素的分离

把步骤1的滤液用酸调pH至5~6，加入1~2倍滤液体积的工业乙醇沉淀3~6h，离心，滤液备用，滤渣为半纤维素；

步骤3，木质素的分离

将步骤2的滤液浓缩至原体积的1/10，用酸调节pH为2~3，在50~60°C下反应2~3.5 h，冷却至室温，真空抽滤后，回收滤液中的乙醇，滤渣为木质素。

作为制备方法优选的是，步骤1中所述的木质纤维素原料为农作物秸秆、树叶或废弃木料。

作为制备方法优选的是，步骤1中木质纤维素原料粉碎后过60-100目筛。

作为是步骤1中木质纤维素原料粉碎的优选的是，步骤1中木质纤维素原料粉碎后过60目筛。

作为制备方法优选的是，步骤1中的氢氧化钠质量浓度为7%，加入过硫化钠的反应温度为80℃，料液比30mL/g。

作为制备方法优选的是，步骤2中滤渣在温度为-50℃，压强为5Pa干燥6h得半纤维素。

纤维素、半纤维素和木质素纯度测定：按照NREL法，该法通过用 质量分数为72% 的浓硫酸和质量分数为4%的稀硫酸两步水解试样，使木质纤维素中的组分水解成易定量的物质。其中，纤维素、半纤维素水解生成单糖，采用高效液相色谱法进行定量, 而木质素采用灼烧法定量。

有益效果

本发明的的优点是纤维素、半纤维素和木质素的损失小。得率分别为82.1%,86.5%,72.3%，提取的产品纯度高，分别为88.7%，84.9%，93.2%。所用的NaOH，Na₂Sx，H₂SO₄，H₂O₂试剂价格低廉，整体工艺过程简单，操作方便，反应完的酸碱废液可以互相中和，减少环境污染，回收乙醇后的溶剂可以重复利用，同时该工艺反应温度较低，反应时间较少，生产成本很低。

附图说明

图 1 为本发明实施例1的纤维素的红外光谱图；

图 2为本发明实施例1的半纤维素的红外光谱图；

图 3 为本发明实施例1的木质素的红外光谱图。

具体实施方式

实施例1

一种木质纤维素原料三组分分离的方法，包括以下步骤：

步骤1，纤维素的分离

将玉米芯粉清洗干燥后粉碎至60目细粉，按液固比30 mL/g将细粉与质量浓度为6%的NaOH溶液投入反应器中，再加入0.01-0.02倍细分重量的多硫化钠，在温度75°C下反应3 h, 冷却至室温，真空抽滤并用蒸馏水清洗滤饼，将滤饼清洗干燥后，按照料液比30mL/g加入质量浓度为1%的酸性亚氯酸钠溶液， 70℃下反应时间1~1.5h，真空抽滤，滤液备用，滤渣即为纤维素。，纤维素的红外光谱图见图1，红外光谱特征谱带主要位于1060cm^－1左右， 而且在峰的两侧有很多弱的吸收峰表明纤维素分子中羟基和醚键的吸收，其中波数1158 cm^－1特征峰是纤维素结构特征峰。此外，对应羟基的伸缩振动，在3400 cm^－1附近也有很强、很宽的吸收谱带。将纤维素清洗干燥后计算纤维素纯度为88.7%，总回收率82.1%％。

步骤2，半纤维素的分离

把步骤1的滤液用醋酸调pH为5.5，加入1.5倍体积的工业乙醇进行醇析沉淀5h, 有絮状沉淀产生，通过离心将沉淀与滤液分离，滤液备用，滤渣即为半纤维素。半纤维素的红外光谱图见图2，在3 400 cm^－1附近有很强、的半纤维素红外吸收谱带，这是羟基的伸缩振动，半纤维素特征谱带主要位于 1 040 cm^－1左右，为木聚糖的特征峰。洗净干燥后计算半纤维素的纯度为86.5%，总回收率为84.9%。

步骤3，木质素的分离

将步骤2的滤液浓缩至原来体积的1/10，用硫酸调节pH为2.5，在温度55°C下反应2.5h，冷却至室温，真空抽滤后，回收滤液中乙醇，滤渣为木质素。木质素的红外光谱图见图3，木质素分子结构中的特征基团：1610～1600cm^－1和1 520～1500 cm^－1，属苯环骨架振动，其中1505 cm^－1附近特征峰是强烈的苯环骨架振动带，为木质素结构中芳香环的特征振动，用来鉴别木质素的存在。洗净干燥后就算得木质素的纯度为72.3%，总回收率为93.2%。

实施例2

一种木质纤维素原料三组分分离的方法，包括以下步骤：

步骤1，纤维素的分离

用玉米秸秆替代玉米芯，加入NaOH溶液的质量分数为6.5%；其余的同实施例 1 的步骤 1，其中纤维素纯度为87.9%，总回收率81.7%％。

步骤2和步骤3同实施例1，其中半纤维素的纯度为87.4%，总回收率为83.4%，木质素的纯度为73.1%，总回收率为91.1%。

实施例3

一种木质纤维素原料三组分分离的方法，包括以下步骤：

步骤1，纤维素的分离

用芦蒿秸秆替代玉米芯，加入NaOH溶液的质量分数为7.0%；其余的同实施例 1 的步骤 1，其中，纤维素纯度为89.4%，总回收率77.6%％。

步骤2和步骤3同实施例1，其中半纤维素的纯度为85.8%，总回收率为80.6%，木质素的纯度为74.2%，总回收率为90.6%。

实施例4

一种木质纤维素原料三组分分离的方法，包括以下步骤：

步骤1，纤维素的分离

用杨柳树叶替代玉米芯，加入NaOH溶液的质量分数为5.0%；其余的同实施例 1 的步骤 1，其中，纤维素纯度为85.3%，总回收率75.7%％。

步骤2和步骤3同实施例1，其中半纤维素的纯度为为85.3%，总回收率为80.5%，木质素的纯度为76.2%，总回收率为86.2%。

实施例5

一种木质纤维素原料三组分分离的方法，包括以下步骤：

步骤1，纤维素的分离

用去筋后得竹子替代玉米芯，加入NaOH溶液的质量分数为7.0%，多硫化钠的量为细粉的0.02倍；其余的同实施例 1 的步骤 1，其中，纤维素纯度为87.8%，总回收率74.2%％。

步骤2和步骤3同实施例1，其中半纤维素的纯度为为86.3%，总回收率为80.8%，木质素的纯度为76.5%，总回收率为85.4%。

从实施例1-5可以看出，本发明方法分离纤维素、半纤维素和木质素的方法效果好，纯度高，原料来源广泛，成本低廉，适合产业化。