专利名称：：纤维素提取新工艺的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种分段式的从植物原料中提取纤维素的新工艺，其流程是先用稀碱浸泡植物原料，再加压汽蒸或蒸煮，最后打磨、洗浆得到纤维素。
背景技术：
：目前，纤维素的最重要用途是造纸，在其它的领域也可能广泛应用。纸是国民生产生活中的必需品。统计数据显示，我国纸与纸板的消费量由1994年的2430万吨增加到2004年的5440万吨，占世界总消费量的比例由9.1%提高到13.2%。2006年我国纸与纸板消费总量为6600万吨，进口量3216万吨年增长率11.3%位居世界第二位，仅次于美国，近年来仍呈现增长势头。当纤维素的提取成本大幅降低时，纤维素的另一个应用领域——水解合成葡萄糖再发酵成酒精用作原料和车用燃料潜力巨大。因此，发明低成本、高收率的纤维素提取技术，着眼于植物体的全价开发利用，具有巨大的社会效益、经济效益和环保效益。烧碱法或硫酸盐法是目前造纸工业普遍采用的纤维素提取方法，烧碱作为纤维素提取过程中的一种不可缺少的化工原料，在木材(或非木材)原料蒸煮过程中是蒸煮药液的重要组成成分，起到脱除木质素，使造纸的核心材料——纤维素从木材(或非木材)原料中分离出来的重要作用。在木材(或非木材)蒸煮过程中，烧碱的浓度约为10%20%，在硫酸盐法中不但大量耗碱，而且添加了相当量的硫化物，蒽醌等助剂。纤维素得率低、质量差、"三废"严重，致使后处理投资大、成本高、能耗高。现有非木材原料造纸工艺，例如的龙须草纤维素提取工艺是采取用10%左右浓度的碱与硫化物的混合液，在液比为1:2.4条件下，升压至0.500MPa(温度约150°C)蒸煮4小时左右再进行磨浆、漂浆得到粗浆，通常用23吨的原料才能得到1吨纤维素浆，总折百耗碱量约为0.670.9吨。以木材为原料的造纸工艺中，化工原料一般占其原料成本的2030%，烧碱是主要成本构成；而以植物秸秆等非木材为原料的造纸工艺中碱占其成本的4050%。大量碱的使用不但增加了造纸的成本，而且导致大量的造纸黑液难以资源化利用。针对现有技术的不足，本发明者进行了深入细致的研究。通过实验发现，造成现有纸浆提取工艺原料消耗大、纤维素提取率低、质量差、波动大的最主要原因是碱过量以及长时间高温蒸煮所造成的纤维素、木质素等有效成份的大量破坏。因此，如何有效降低用碱量，避免使用硫化物等污染性助剂，并且高收率获取纤维素是我们的主攻方向。我们发现，先用稀碱浸泡植物体，再加压汽蒸或蒸煮，最后打磨、洗浆提取纤维素的工艺，可以用原工艺2/3左右甚至更低的烧碱量(可以不使用硫化物)高收率的提取纤维素，汽蒸或蒸煮的温度和时间可以大大縮短。本发明工艺不但可以减少碱量和水量，减少高耗能的浓縮环节，而且可以经济方便的提取木质素。黑液用少量酸即可中和，用该中和液灌溉的植物生长状况良好，证明其完全可能作为有机肥使用，于是形成了本发明。
发明内容本发明提供一种分段式的从植物原料中提取纤维素的新工艺，该工艺包括如下步骤将植物原料用浸没植物体的稀碱量浸泡，再加压汽蒸或蒸煮，最后打磨、洗浆得到纤维素。本发明者通过实验发现，造成现有纸浆提取工艺原料消耗大、纤维素提取率低、质量差、波动大的最主要原因是碱过量以及长时间高温蒸煮所造成的纤维素、木质素等有效成份的大量破坏。因此，如何有效降低用碱量，避免使用硫化物等污染性助剂，并且高收率获取纤维素是我们研究的主攻方向。通过反复实验探索以及对现有造纸工艺深入分析和研究我们发现，现有的造纸工艺采取将较浓的碱溶液和造纸原料直接混合蒸煮方式分离纤维素，容易造成碱液和造纸原料无法均匀混合，导致原料表面和局部碱液过浓，碱液尚未充分渗透和扩散，体系就被高温迅速加热，使得纤维素、木质素及其它有机成份大量被破坏，造成原料分解不完全，导致碱耗物耗偏高，黑液增多，纤维素不均匀、得率低。—个合理的技术思路是采取先用低浓度的碱浸泡原料使其充分润湿和渗透，在达到均匀吸附原料分解的最小用碱量时，将原料滤出并转移至蒸汽锅中，非水煮条件下，直接蒸汽加热，就可以更好的实现均匀传质传热，最大程度的减少碱量，维持原料中的碱浓度和均一度，避免过量碱对原料的破坏作用，这一创想为解决长期以来困扰造纸工业发展难题指出了一个新的方向。根据上述创想，本发明者们通过反复的实验探索和条件优化，终于在非木材类造纸原料中找到了实现上述创想的最佳工艺条件，对木材的工艺优化也取得成效，从而很好和全面的解决了长期以来困扰造纸工业的诸多难题。本发明方法可以采用如下具体实施方案1.—种以非木材为原料提取纤维素的工艺，它包括如下步骤将原料浸泡于2-10倍重量的浓度低于10w/v^的稀碱中，优选在常温下浸泡，之后滤出，滤出物加压汽蒸，然后取出、打磨、洗浆、滤出，即得到粗纤维素。浸泡滤出液循环套用于下一批原料浸泡处理。打磨置于水或前批洗浆黑液中，打磨洗浆滤出液达到一定浓度的漂洗黑液可以经中和提取木质素，剩下的液体可作为液态有机肥或制成固态肥。在优选的具体实施方案中，本发明工艺包括如下步骤将原料浸泡于2-10倍重量，优选为5-8倍重量的浓度为0.5-10w/v^，优选为l-5w/v^的稀碱中，在例如常温下浸泡248小时，优选440小时，浸泡时，若增加搅拌操作，可明显縮短浸泡时间约2IO个小时，之后滤出，滤出物加压汽蒸，汽蒸温度为100°C170。C，优选为100-130。C，压力为0.10.8MPa，优选为0.10.3Mpa，汽蒸加热时间为0.57小时，优选为0.53小时，然后取出置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。更优选的具体实施方案中，本发明工艺包括如下步骤将原料浸泡于5-8倍重量的浓度为l-5w/v%的稀碱中，在常温下浸泡440小时，之后滤出，滤出物加压汽蒸，汽蒸温度为100-13(TC，压力为0.10.3Mpa，汽蒸加热时间为0.53小时，然后取出置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。本发明还提供一种以木材或竹子为原料提取纤维素的工艺。2.—种以木材或竹子为原料提取纤维素的工艺，它包括如下步骤将木材或竹子原料浸泡于2-IO倍重量的浓度低于10w/v^的稀碱中，优选在常温下浸泡，取出木材或竹子加压蒸煮，之后取出木材或竹子置于水或前批漂洗黑液中打磨，洗浆，滤出，即得到粗纤维素。蒸煮液循环套用于下一批原料浸泡处理，打磨洗浆滤出液达到一定浓度的漂洗黑液可以经中和提取木质素，剩下的液体可作为液态有机肥或制成固态肥。也可将蒸煮后的木材在蒸煮液中打磨。在优选的具体实施方案中，本发明工艺包括如下步骤将木材或竹子原料浸泡于2-10倍重量，优选为5-8倍重量的浓度为0.5_10w/v^，优选为l-5w/v^的稀碱中，在例如常温下浸泡248小时，优选440小时，取出木材或竹子，加压蒸煮，蒸煮温度为100°C17(TC，优选为100-13(TC，压力为0.10.8MPa，优选为0.10.3Mpa，汽蒸加热时间为0.57小时，优选为0.53小时，然后取出木材或竹子，蒸煮液循环套用于下一批原料浸泡处理，蒸煮后的木材或竹子置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。更优选的具体实施方案中，本发明工艺包括如下步骤将木材或竹子原料浸泡于5-8倍重量的浓度为l-5w/v%的稀碱中，在常温下浸泡440小时，取出木材或竹子，加压蒸煮，蒸煮温度为100-13(TC，压力为0.10.3Mpa，蒸煮加热时间为0.53小时，然后取出木材或竹子，蒸煮液循环套用于下一批原料浸泡处理，蒸煮后的木材或竹子置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。在本发明中，稀碱量以刚好浸没植物原料为佳，过量也是可以的，不过这样会增加生产成本。本发明工艺中滤出的浸泡液或蒸煮液套用于下一批原料浸泡处理时，根据需要补加水和/或碱至所需。在本发明工艺用于造纸工艺时，用于造纸原料(木材或非木材)和稀碱的液比以刚好浸没为佳(例如约为i:2i:io)，根据工厂实际情况也可采用循环喷洒浸淋的方式(液比可以降低)；根据造纸原料的不同，碱的浓度可以在0.5%10%，优选1%5%;根据造纸原料的不同，浸泡的时间为248小时，优选440小时(浸泡时，若增加搅拌操作，可明显縮短浸泡时间约4IO个小时)；根据造纸原料不同，汽蒸或蒸煮温度为100°C17(TC，压力为0.10.8MPa，汽蒸或蒸煮加热时间为0.57小时，汽蒸或蒸煮的优选温度可以是100°C13(TC，优选压力为0.10.3MPa，优选时间为0.53小时。进行造纸时，汽蒸或蒸煮后的原料，按造纸常规操作过程进行打磨、洗浆、漂白、打浆、抄纸成型等操作。本方法所使用的原料可以是木材原料如木材或竹子，非木材原料例如竹子，植物秸秆诸如小麦、水稻、玉米、大豆、高粱、棉花等农作物秸秆，龙须草等所有可用于造纸的非木材原料。优选小麦秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、竹子和龙须草。竹子适用于二种方法，但优选采用非木材原料工艺。实验证实，并通过下文中给出的实施例可见，将非木材原料(包括竹子)用例如1%5%左右的液碱在经过2到40小时的浸泡后，过滤，滤出物在0.2Mpa左右的高压锅中汽蒸13小时后取出，进行打磨、洗桨，滤出，得到高质量纤维素，其得率可达50%左右，纤维素的提取率在90%以上。滤出液可循环套用于下一批原料浸泡处理。将木材或竹子原料用例如1%5%左右的液碱在经过2到40小时的浸泡后，在0.2Mpa左右的高压锅中蒸煮l3小时后取出，进行打磨，洗浆，过滤，滤出液循环套用于下一批原料浸泡处理，滤出物为粗纤维素，其得率可达50%左右，纤维素的提取率在90%以上。蒸煮液循环套用于下一批原料浸泡处理。实验证实，通过对浸泡液的重复利用，每吨纤维素的耗碱量仅为现有工艺的1/2左右，而且不使用硫化物和蒽醌等造纸助剂。稀碱浸泡的预处理方法，可使碱液充分渗透和扩散于原材料中，汽蒸或蒸煮后的造纸原料很容易加水打磨成浆。由于采取的是汽蒸原料的方式分离纤维素，所以浸泡液补碱后可以多次完全利用。打浆漂洗液也可以反复套用至较高浓度。由此很好的解决了原有造纸工业中黑液不能套用、耗水量大、大量黑液难以处理的技术难题，且漂洗液颜色浅，处理过程气味小。黑液冷却和用更少量的酸即可中和直接作为有机肥，也可以提取木质素后再作为有机肥使用，不会产生恶臭。中和后的黑液直接作为无土栽培的营养液和土培实验的灌溉液，植物和水生物生长良好，同样情况下现有造纸黑液中和后却很难使植物存活，证明耗碱量大为降低和未添加硫化物的本发明工艺黑液是很好的养料，完全可能开发为植物全价营养液或固态有机肥，避免了焚烧生成大量二氧化碳、氮氧化物、二悪英等物质，减少了有机磷、有机氮、钾等宝贵资源和能源的浪费。综上所述，采用本发明方法造纸，不但可以大大降低投资和造纸的碱成本，还可以大幅提高纤维素得率，所得废液可以作为肥料回施于庄稼和造纸原料等植物促进其生长，达到节能降耗、清洁生产，植物全价利用的目的，可以形成很好的农业工业化，工业农业化的生态产业循环经济模式。用本发明工艺制得的纸张，性能价格比明显优于现有技术，每生产1吨纸浆可降低成本1000元左右，黑液提取价值很高的木质素后还可以作为肥料，不但减少处理黑液的巨大成本，而且促进了资源的合理与循环利用，可以从中获取更好的收益，因此其经济、社会、生态效益不可估量。该分段式工艺的优点是可以用很稀的碱浸泡或蒸煮植物体，不但能大大节省碱量，降低加热温度，縮短加热时间，高收率获取纤维素，而且避免了使用硫化物、蒽醌等高污染性助剂所带来的二次污染。浸泡液、洗涤液可以循环套用，进而简便的获得高浓度的液态或固态有机肥。并且整个纤维提取和母液处理过程中气味小，能耗低，用水量少，环境友好。这一本发明工艺具有投资少、见效快、高效节能、清洁环保的特点，具有广泛巨大的推广应用价值，为生物质的全价开发开辟了一条最有利用价值的新途径。具体实施例方式本发明可用下文中的非限定性实施例作进一步的说明。对照例1将40g固体烧碱溶于700克水中，加入300g龙须草(水分10.2%)，加入蒸煮锅中，密闭，加热升温蒸煮。由室温升温至8(TC，时间lh;由8(TC升温至13(TC，时间2h;13(TC保温1.5h;由13(TC升温至168t:，时间lh;168t:保温2h。蒸煮结束后降温泄压，出料，蒸煮料液除去黑液后进行打浆、洗浆、过滤，在105t:下烘至恒重，得到135g粗纤维素，纤维素得率为45%。实施例l(龙须草制浆)将300g龙须草(水分10.2%)、在3000ml1.0%NaOH溶液中浸泡6小时后滤出，放入烧杯中再置于高压锅中在O.2MPa，118t:条件下汽蒸2小时后取出打磨、洗浆、滤出，在105t:下烘至恒重，得到144g粗纤维素，纤维素得率为48%，纤维素的提取率在95%以上。粗纤维素打浆、抄纸成型等操作，最后检测纸张性能。纸张性能如下抗张指数38.86N.m/g，撕裂指数15.77mN.m7g，耐破指数4.03kPaXm7g，耐折度49次。实施例2(龙须草制浆)将300g龙须草(水分10.2%)、将实施例1中所剩的浸泡液约2500ml(残余碱含量约为0.65%)补水补碱至3000ml1.0%NaOH溶液中浸泡6小时后滤出，放入容器中后置于高压锅中在O.2MPa，118t:条件下汽蒸2小时后取出打磨、洗浆、滤出，在105t:下烘至恒重，得到149.4g粗纤维素，纤维素得率为49.8%。粗纤维素打浆、抄纸成型等操作，最后检测纸张性能。纸张性能如下抗张指数37.86N.m/g，撕裂指数14.77mN.m7g，耐破指数3.93kPaXm7g，耐折度47次。实施例3(龙须草制浆)将300g龙须草(水分10.2%)、将实施例2中所剩的浸泡液约2500ml(残余碱含量约为0.6%)补水补碱至3000ml1.0%NaOH溶液中浸泡4小时后滤出，放入烧杯中再置于高压锅中在O.2MPa，118t:条件下汽蒸2小时后取出打磨、洗浆、滤出，在105。C下烘至恒重(约需IO小时)，得到143g粗纤维素，纤维素得率为48X。粗纤维素打浆、抄纸成型等操作，最后检测纸张性能。纸张性能如下抗张指数37.66N.m/g，撕裂指数14.57mN.m7g，耐破指数3.73kPaXm7g，耐折度46次。实施例4(龙须草制浆)将300g龙须草(水分10.2%)、将实施例3中所剩的浸泡液约2500ml(残余碱含量约为0.63%)补水补碱至3000ml1.0%NaOH溶液中浸泡4小时后滤出，放入烧杯中再置于高压锅中在0.2MPa，118t:条件下汽蒸2小时后取出打磨、洗浆、滤出，在105。C下烘至恒重(约需10小时)，得到150g粗纤维素，纤维素得率为50.1%，纤维素的提取率在95%以上。打浆液约3000克，残碱量约2克，加酸酸化可得淡黄色木质素干品9.5克。打浆液、洗涤液或提取木质素后的残液可以套用到前工段IO次以上，直到洗脱效果很差为止。中和后的黑液直接作为无土栽培的营养液和土培实验的灌溉液，植物和水生物生长良好，同样情况下现有造纸黑液中和后却很难使植物存活，证明耗碱量大为降低和未添加硫化物的本发明工艺黑液是很好的养料，完全可能开发为植物全价营养液或固态有机肥。套用相关结果如下8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>实施例5(楠竹制浆)将500g楠竹(水分13.1%)、在3500ml2.5%NaOH溶液中浸泡38小时后滤出，放入烧杯中再置于高压锅中在O.2MPa，118t:条件下汽蒸3小时后取出打磨、洗浆、滤出，在105t:下烘至恒重(约需10小时)，得到273g粗纤维素，纤维素得率为54.6%，纤维素的提取率在95%以上。粗纤维素打浆、抄纸成型等操作，最后检测纸张性能。纸张性能如下打浆度SR50，卡伯值118.5，抗张指数/Nmg-144.8，撕裂指数/mNm2g-17.2，耐破指数/kPam2g—13.0。[OOM]实施例6(楠竹制浆)将500g楠竹(水分13.1%)、在3500ml1.5%NaOH溶液中浸泡8小时后直接置于高压锅中在0.2MPa，118°C条件下蒸煮2小时后取出打磨、洗浆、滤出，在105°C下烘至恒重(约需10小时)，得到281g粗纤维素，纤维素得率为56.2%，纤维素的提取率在95%以上。粗纤维素打浆、抄纸成型等操作，最后检测纸张性能。打浆度SR47，卡伯值112.3，抗张指数/Nmg—146.4，撕裂指数/mNm2g—16.8，耐破指数/kPam2g—13.1。实施例7(木材制桨)将100g松木(已烘干)用600ml水，30gNaOH溶液浸没室温下(25°C)浸泡6小时后，15017(TC条件下蒸煮3小时后取出打磨、洗浆、滤出，在105t:下烘至恒重(约需10小时)，得到47.4g粗纤维素，纤维素得率为47.4%，纤维素的提取率在90%以上。粗纤维素打浆、抄纸成型等操作，最后检测纸张性能。纸张性能如下打浆度SR50，卡伯值98.7，抗张指数/Nmg—152.8，撕裂指数/mNm2g—115.2，耐破指数/kPam2g—13.4。权利要求一种分段式的从植物原料中提取纤维素的工艺，该工艺包括如下步骤将植物原料用浸没植物体的稀碱量浸泡，再加压汽蒸或蒸煮，最后打磨、洗浆得到纤维素。2.根据权利要求1的工艺，它包括如下步骤将非木材的所述植物原料浸泡于2_10倍重量的浓度低于10w/v%的稀碱中，之后滤出，滤出物加压汽蒸，然后取出，打磨，洗浆，滤出，即得到粗纤维素。3.根据权利要求2的工艺，它包括如下步骤将所述原料浸泡于2-10倍重量的浓度为0.5-10w/v^的稀碱中，在常温下浸泡248小时，之后滤出，滤出物加压汽蒸，汽蒸温度为100°C170°C，压力为0.10.8MPa，汽蒸加热时间为0.57小时，然后取出置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。4.根据权利要求3的工艺，它包括如下步骤将所述原料浸泡于5-8倍重量的浓度为l-5w/v^的稀碱中，在常温下浸泡440小时，之后滤出，滤出物加压汽蒸，汽蒸温度为100-13(TC，压力为0.10.3Mpa，汽蒸加热时间为0.53小时，然后取出置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。5.根据权利要求3或4的工艺，其中，浸泡过程中进行搅拌，浸泡时间为210个小时。6.根据权利要求2-5之任一的工艺，其中，浸泡滤出液循环套用于下一批原料浸泡处理，打磨置于水或前批洗浆黑液中，打磨洗浆滤出的漂洗黑液经中和提取木质素，剩下的液体可作为打浆清洗液或液态有机肥，或制成固态肥。7.根据权利要求l-6之任一的工艺，其中，所述的植物原料是植物秸秆、竹子或龙须草。8.根据权利要求7的工艺，其中，所述的植物原料是龙须草。9.根据权利要求1的工艺，它包括如下步骤将木材或竹子植物原料浸泡于2-IO倍重量的浓度低于10w/v^的稀碱中，再进行加压蒸煮，打磨，洗浆，滤出，即得到粗纤维素。10.根据权利要求9的工艺，它包括如下步骤将木材或竹子原料浸泡于2-IO倍重量的浓度为O.5-10w/v^的稀碱中，在常温下浸泡248小时，加压蒸煮，蒸煮温度为100°C17(TC，压力为0.10.8MPa，汽蒸加热时间为0.57小时，蒸煮后的木材或竹子置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。11.根据权利要求10的工艺，它包括如下步骤将木材或竹子原料浸泡于5-8倍重量的浓度为l-5w/v^的稀碱中，在常温下浸泡440小时后，再加压蒸煮，蒸煮温度为100-13(TC，压力为0.10.3Mpa，蒸煮加热时间为0.53小时，然后取出木材或竹子，蒸煮液循环套用于下一批原料浸泡处理，蒸煮后的木材或竹子置于水或前批漂洗黑液中打磨、清洗，即得到粗纤维素。12.根据权利要求9-ll之任一的工艺，其中，蒸煮液循环套用于下一批原料浸泡处理，打磨洗浆滤出得的漂洗黑液经中和提取木质素，剩下的液体作为液态有机肥或制成固态肥。13.根据权利要求10的工艺，其中，蒸煮后的木材或竹子置于蒸煮液中打磨。14.权利要求l-13之任一的工艺得到的粗纤维素的用途，该粗纤维素用于造纸或作为其它用用途的原材料:全文摘要本发明涉及一种分段式的从植物体中提取纤维素的本发明工艺，包括如下步骤流程是先用稀碱浸泡植物体，然后加压汽蒸再打磨、洗浆得到纤维素。该分段式工艺的优点是可以用很稀的碱浸泡或蒸煮植物体，不但能大大节省碱量，降低加热温度，缩短加热时间，高收率获取纤维素，而且避免了使用硫化物、蒽醌等高污染性助剂所带来的二次污染。浸泡液、洗涤液可以循环套用，可以简便的获得高浓度的液态或固态有机肥。文档编号D21C3/00GK101748633SQ20081024032公开日2010年6月23日申请日期2008年12月19日优先权日2008年12月19日发明者万鹏,孙瑞,尹应武,张双艳,张玉娟,张玲燕,樊晓林,纪桂鹏,苟朝英,邹鸣鸣申请人:北京英力和泓新材料技术有限公司