一种植物纤维全组分高效溶解的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于植物纤维处理技术领域，具体涉及一种植物纤维全组分高效溶解的方 法。
【背景技术】
[0002] 在自然界中，木质素的储量仅次于纤维素，而且每年都以50亿吨的速度再生。制 浆造纸工业每年要从植物中分离出大约1. 4亿吨纤维素，同时得到5000万吨左右的木质素 副产品，但迄今为止，超过95%的木质素仍以"黑液"直接排入江河或浓缩后烧掉，很少得到 有效利用。木质纤维素的开发与利用对解决人类面临的资源和能源危机具有重要意义。
[0003] 目前木质纤维素的分离过程主要是在酸性或者碱性条件下进行，或者采用小分子 低沸点有机溶剂，如乙醚、二氧己环、苯、乙醇等，上述方法存在溶解步骤繁琐、溶解条件苛 亥IJ，酸、碱一次性消耗，有机溶剂沸点低、使用危险性大，废液排放量大、环境污染严重等问 题，尤其是分离出的木质素结构遭到严重破坏，对其后续深加工存在不利影响。此外，木质 纤维中结构复杂且存在大量的氢键，导致其全组分溶解率不高，这成为妨碍生物质资源利 用的一个急需改进的问题。
[0004] 室温离子液体是近年来出现的一类绿色材料，具有蒸汽压低、性质可调控、溶解 性好、热稳定性高等优点，在溶解和分离木质纤维素方面具有广阔的应用前景。离子液体以 其特有的优良性质备受瞩目，享有"绿色溶剂"之美誉，在化学合成、生物催化、萃取分离、复 合材料制备等诸多领域的应用也日益被关注。
[0005] 离子液体对生物质单一组分具有良好的溶解性能。Swatloski等（Swatloski R P；Spear S K；Holbrey J D et al. Dissolution of cellose with ionic liquids[J]. Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(18))发现某些烷基取代咪挫 盐离子液体可以有效地溶解纤维素。在所研宄的离子液体中，1-丁基-3-甲基咪唑氯 化盐（[C4mim]Cl)展现出优异的溶解能力--在100°C下可溶解IOwt %聚合度为1000 的纤维素 。Ren 等（Ren J L ;Sun R C ;Liu C F et al. Acetylation of wheat straw hemicelluloses in ionic liquid using iodine as a catalyst[J]. Carbohydrate Polymers，2007, 70(4))以离子液体[C4mim]Cl为溶剂实现了半纤维素溶解。对于木质 素在离子液体中的溶解，也有研宄表明，离子液体1，3-二甲基咪唑甲基硫酸盐（[Mmim] [CH 3SO4])和1-丁基-3-甲基咪唑甲基硫酸盐（[C4mim] [CH3SO4])在室温下即可溶解木质素 样品，溶解度分别约为74g/L和62g/L，当加热到50~70°C时，木质素样品可迅速溶解于其 中，溶解度可达275~344g/L(Pu Y Q;Jiang N;Ragauskas A J.Ionic liquid as a green solvent for lignin[J]. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2007,27(I))〇 周 红霞等（周红霞，李露，刘仕伟，于世涛，刘福胜，解从霞.磷酸酯基离子液体对木质素 的溶解性能[J].高分子材料科学与工程，2012, 28(3))用五种磷酸酯类离子液体对木质素 进行溶解，发现离子液体1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐[Mmim]DMP对木质素的溶解性能最 佳，在70°C搅拌120min，木质素溶解度可达45%，但在该条件下木质素的溶解度仍然偏低， 且只是对木质素单组份的溶解。
[0006] 而全组分溶解效果显然没有单组分溶解那么明显。Fort等（Fort D A ;Remsing R C ；Swatloski R P et al. Can ionic liquids dissolve wood? Processing and analysis of lignocellulosic materials with l-n-butyl-3-methylimidazolium chloride[J]. Green Chemistry, 2007,9(1))初步探讨了马尾松、杨木、桉木和橡木在[C4mim]Cl/二甲基 亚砜（DMSO)溶剂体系中的溶解状况，研宄发现未经预处理的木质纤维在100°C下加热24h 可部分溶解，将溶液倒入水或乙醇中即可沉淀出纤维素。Kilpelainen等（Kilpelainen I ;Xie H ；King A et al. Dissolution of wood in ionic liquids[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(22))也发现针叶木与阔叶木均可部分溶解 于离子液体中，且颗粒较小的木肩可以在130°C处理8h后完全溶解于离子液体[C 4mim]Cl 和[Amim]Cl。但该溶剂体系用到了有机溶剂DMS0,存在环保问题。
[0007] 中国专利201110059319. 8公开了一种用离子液体从植物纤维原料中分离纤维素 和木质素的方法，但该法同样使用了有机溶剂DMS0,而且其对植物纤维的溶解率最高只能 达到36%。中国专利200910012002. 1公开了一种离子液体溶剂分离木质纤维素中木质素 和纤维素的方法，该法以离子液体和水为溶剂，但采用该专利的方法只能溶解木质素，纤维 素以固体形式在前期分离出去，即在该专利条件下无法达到同时高效溶解纤维素和木质素 的目的。
【发明内容】
[0008] 为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种植物纤维 全组分高效溶解的方法。
[0009] 本发明目的通过以下技术方案实现：
[0010] 一种植物纤维全组分高效溶解的方法，包括以下步骤：
[0011] 将植物纤维原料加入到离子液体水溶液中，搅拌混合均匀，然后在温度150~ 180°C的微波环境下进行溶解反应，搅拌速度200~280rpm，反应时间15~30min，离心分 离溶解残渣，得到植物纤维溶液。
[0012] 所述的植物纤维溶液可进一步加入易挥发沉淀剂乙醇或丙酮，析出再生植物纤 维，过滤分离，离子液体水溶液经蒸馏脱除水分和沉淀剂后回收循环使用。
[0013] 所述的离子液体组成为A+ B'其中，阳离子A+为咪唑类化合物离子，其化学结构 式为
【主权项】
1. 一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于包括以下步骤： 将植物纤维原料加入到离子液体水溶液中，搅拌混合均匀，然后在温度150~180°C的 微波环境下进行溶解反应，搅拌速度200~280rpm，反应时间15~30min，离心分离溶解残 渣，得到植物纤维溶液。
2. 根据权利要求1所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所述的 植物纤维溶液进一步加入易挥发沉淀剂乙醇或丙酮，析出再生植物纤维，过滤分离，滤液经 蒸馏脱除水分和沉淀剂后回收循环使用。
3. 根据权利要求1或2所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所 述的植物纤维原料是指木粉、木片、芒杆或蔗渣；植物纤维原料的加入量为离子液体水溶液 重量的2%~10%。
4. 根据权利要求1或2所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所 述的离子液体组成为A+ ，其中，阳离子A+为咪唑类化合物离子，其化学结构式为
取代基&和1?2分别为碳原子数1~10的烷烃或烯烃类有机基团；阴离子B ^为卤素离 子、醋酸根离子或磷酸根离子。
5. 根据权利要求4所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所述的 离子液体是指1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐。
6. 根据权利要求1或2所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所 述离子液体水溶液是指离子液体与水的质量比为（2~20) :1的溶液。
7. 根据权利要求6所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所述离 子液体水溶液是指离子液体与水的质量比为9 :1的溶液。
8. 根据权利要求1或2所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所 述的微波环境是指加热功率为500W的微波环境。
9. 根据权利要求1或2所述的一种植物纤维全组分高效溶解的方法，其特征在于：所 述的溶解反应是指在170~180°C下反应20~30min。
【专利摘要】本发明属于植物纤维处理技术领域，公开了一种植物纤维全组分高效溶解的方法。该方法包括以下步骤：将植物纤维原料加入到离子液体的水溶液中，搅拌混合均匀，然后在温度150～180℃的微波环境下进行溶解反应，搅拌速度200～280rpm，反应时间15～30min，离心分离溶解残渣，得到植物纤维溶液。本发明通过选择合适的离子液体及溶解工艺条件，能够同时溶解植物纤维中的纤维素与木质素，植物纤维的溶解率能够达到90％，甚至95％以上。
【IPC分类】C08H7-00, C08J3-09
【公开号】CN104861180
【申请号】CN201510268714
【发明人】许俊鑫, 侯轶, 李友明
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月22日