部分水解纤维素的纯化工艺制造技术

本发明专利技术涉及从包含部分水解纤维素和酸如硫酸的组合物(14)中回收经纯化的部分水解纤维素(36)的方法。将具有与所述酸的阴离子形成沉淀的阳离子的碱(28)添加到所述组合物。例如，添加碱如氢氧化钡以形成硫酸盐沉淀。然后将沉淀(38)与部分水解纤维素(36)分离，由此降低其酸含量。所述方法可以包括额外步骤：组合物的离心(18)、分散沉淀之后组合物中的附聚(44)、以及渗析(42)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】部分水解纤维素的纯化工艺
本专利技术涉及用于洗涤部分水解纤维素以除去酸至低水平的工艺。
技术介绍
以下参考文献描述了在现有技术文献中已用于产生部分水解纤维素的工艺步骤，且讨论如下：如(1)Revol等的US5,629,055；(2)Revol，LouisGodbout，Xue-MinDong，DerekG.Gray，HenriChanzy和GeorgMaret，“Chiralnematicsuspensionsofcellulosecrystallites；phaseseparationandmagneticfieldorientation”，LiquidCrystals，(1994)16卷，1期：127；和(3)XueMinDong，TsunehisaKimura，Revol和DerekG.Gray，“EffectsofIonicStrengthontheIsotropic-ChiralNematicPhaseTransitionofSuspensionsofCelluloseCrystallites”，Langmuir，(1996)12卷：2076。部分水解纤维素(在文献中也称为纤维素微晶或纳米结晶纤维素)最常通过用硫酸控制纤维素酸解来产生。纤维素可以来自各种来源，包括木浆和棉。沿纤维素微纤维的密度较小的无定形区域在水解期间更易受酸攻击并裂开以产生部分水解纤维素。可以使用除硫酸外的酸，如盐酸、磷酸等，或酸的混合物。为了方便解释，以下的讨论集中在硫酸的使用和硫酸盐的除去。在如由来自水解的残余硫酸引起的高离子强度下，单独的晶态纤维素纳米颗粒倾向于团聚在一起成为更大的颗粒，其在重力下或在离心中沉降。为获得期望的离散的纳米颗粒，溶液的离子强度必须降至非常低的水平。为实现此期望的纯化，通常采用稀释后接离心的一步或更多步以使大部分硫酸(约90％)与部分水解纤维素分离；然而，随着酸浓度和相关联的离子强度的降低，部分水解纤维素颗粒解团聚成更小的聚集物直至它们太小而不能在离心中有效收集的程度，必须使用替代方法以进一步降低酸的浓度。为实现部分水解纤维素悬浮体的期望的最终纯度，通常使用与连续的或逐步的水洗结合的保留部分水解纤维素颗粒的非常精细的过滤器。该洗涤步骤在文献中经常被称为渗析或渗滤。虽然大部分起始的酸通常已由离心预先除去，但是部分水解纤维素的纯化目标是酸浓度必须进一步降低几个数量级。即使使用高效渗析体系，也要求与产生的部分水解纤维素的量相关的非常大的过滤表面积和流速，导致高的资本和运行成本、用水量和规划要求，尤其是在更大的规模下。不严格要求离心作为初始纯化步骤，尽管一般地，它改善了总体的可行性。期望的最终纯度可以通过单独用渗析实现；然而，这显著提高了渗析的洗涤要求和酸回收成本。以上描述的现有技术纯化工艺也除去了水解中产生的糖，以及其它可溶的杂质；然而，这些通常以比硫酸更低的量存在，使得它们的去除在部分水解纤维素的纯化中通常不是限制因素。如上面指出的现有技术所描述，用硫酸产生的部分水解纤维素颗粒一般包含弱酸性的硫酸根基团。一旦离子强度已降至足够低的水平，部分水解纤维素悬浮体通常用超声或其它高剪切操作分散。此外，部分水解纤维素悬浮体通常用NaOH或其它碱中和，以改善部分水解纤维素的热稳定性和再分散性(如果经干燥)。已知包含二价阳离子，如Ca++和Ba++的碱干扰有序相的形成，如虹彩膜等的形成，所以它们在最终产物中的存在对很多应用是期望的。“CelluloseNanocrystalSuspensions”，Gray，D.博士，Dept.ofChemistry，McGillUniversity，10thInternationalConferenceonWoodandOtherBiofibrePlasticComposites，Madison，Wisconsin，5月13日，2009。
技术实现思路
本专利技术提供了用于从包含部分水解纤维素颗粒的组合物中除去酸的方法，即，用于从包含部分水解纤维素和酸的组合物中回收经纯化的部分水解纤维素的方法。本专利技术降低了现有技术工艺中通常对高的资本和运行成本、用水量和大过滤表面积的要求。根据本专利技术的一个实施方案，提供了从包含部分水解纤维素和酸的组合物中回收经纯化的部分水解纤维素的方法，包括以下步骤：将具有与酸阴离子形成沉淀的阳离子的碱添加到组合物中，从而形成沉淀，并且使部分水解纤维素与沉淀分离。根据本专利技术的另一个实施方案，提供了从包含部分水解纤维素和硫酸的组合物中回收经纯化的部分水解纤维素的方法，包括以下步骤：将具有形成含硫酸盐沉淀的阳离子的碱添加到组合物中，使部分水解纤维素与含硫酸盐沉淀分离。根据本专利技术的另一个实施方案，所述方法可以包括一个或更多个以下步骤：在添加碱之前，稀释组合物并离心经稀释的组合物以除去酸；在沉淀之后，分散组合物中的团聚体；把渗析或部分渗析应用于包含部分水解纤维素和酸的组合物，或应用于与沉淀分离之后的部分水解纤维素产物。以下描述本专利技术其他方面和具体实施方案的特征。附图说明图1是用于从包含部分水解纤维素颗粒和硫酸的组合物中除去硫酸的现有技术工艺的示意图。图2是根据本专利技术纯化部分水解纤维素的工艺的一个实施方案的示意图。图3是纯化工艺的第二实施方案的示意图，并入了上游通过离心除去酸。图4是纯化工艺的第三实施方案的示意图，并入了上游通过离心和部分渗析除去酸。图5是纯化工艺的第四实施方案的示意图，并入了通过超声或其它高剪切操作分散团聚体。图6是纯化工艺的第五实施方案的示意图，并入了下游渗析抛光步骤。具体实施方式在本说明书和附图中，对应的和类似的要素由相同的附图标记来表示。包含部分水解纤维素颗粒和硫酸的组合物可以根据本领域熟知的方法来制备，即，通过天然纤维质材料如木浆的水解。通常地，磨细漂白的化学浆在升高的温度和持续的混合下与硫酸反应。在水解完成到要求的程度之后，混合物用水淬灭。产生的组合物通常为悬浮体、溶液、胶体或凝胶的形式。图1描绘了用于从包含部分水解纤维素和硫酸的组合物中除去硫酸的现有技术工艺。稀释步骤10通过将水或稀酸的流12添加到部分水解纤维素和硫酸的组合物14中来完成。使经稀释的组合物16经受离心18。这两个步骤可以按要求重复。在离心之后，使经浓缩的部分水解纤维素组合物20经受渗析22。渗析步骤可以通过连续的或逐步的添加水，或通过分批洗涤来完成。渗析产生经纯化的部分水解纤维素24。随着从组合物中除去硫酸，渗析步骤22和离心步骤18两者都产生废酸流26。如上文提及，虽然硫酸是通常用于制备部分水解纤维素的酸，但可以使用其它酸如盐酸和磷酸，和酸的混合物。用于纯化部分水解纤维素的本专利技术一般应用于由这些操作产生的部分水解纤维素-酸的混合物。这通过选择碱来完成，所述碱的阳离子具有当与酸阴离子结合时合适的低溶解度的产物。例如，当部分水解-酸混合物中的酸是磷酸时，可以选择氢氧化铝作为碱以沉淀磷酸铝。在以下的说明书和附图中，作为可以应用本专利技术的混合物的一个实例，针对部分水解纤维素-酸混合物中的酸是硫酸的情况描述了本专利技术的方法。参照图2，描述了本专利技术工艺40的基本实施方案，碱28与部分水解纤维素和硫酸的组合物14反应30以沉淀硫酸盐。碱可以包含具有低硫酸盐溶解度的二价阳离子，如钡、钙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从包含部分水解纤维素和酸的组合物中回收经纯化的部分水解纤维素的方法，包括以下步骤：(a)将碱添加到部分水解纤维素和酸的所述组合物中，所述碱具有与所述酸阴离子形成沉淀的阳离子，从而形成所述沉淀；和(b)使步骤(a)的产物中的所述部分水解纤维素与所述沉淀分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种从包含部分水解纤维素颗粒和酸的组合物中回收经纯化的部分水解纤维素颗粒的方法，包括以下步骤：(a)将碱添加到部分水解纤维素颗粒和酸的所述组合物中，所述碱具有与所述酸阴离子形成沉淀的阳离子，从而形成所述沉淀；和(b)使步骤(a)的产物中的所述部分水解纤维素颗粒与所述沉淀分离。2.根据权利要求1所述的方法，在步骤(a)之前还包括稀释所述组合物和离心所稀释的组合物以除去所述酸的步骤。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，在步骤(a)之后且步骤(b)之前还包括步骤(a)产物的团聚体分散的步骤。4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，在步骤(a)之前还包括渗析所述包含部分水解纤维素颗粒和酸的组合物的步骤。5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，在步骤(b)之后还包括渗析步骤(b)中的部分水解纤维素产物的步骤。6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中步骤(b)通过以下中的一种或更多种完成：沉降、离心、过滤及其组合。7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述包含部分水解纤维素颗粒和酸的组合物是悬浮体、溶液、胶体和凝胶之一。8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述酸是硫酸。9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述酸是磷酸。10.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述碱是氢氧化钡。11.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述碱是碳酸钡。12.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述碱是氢氧化铝。13.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中选择所述阳离子使得步骤(a)中形成的所述沉淀在所述组合物中具有低溶解度。14.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中步骤(a)中形成的所述沉淀具有小于10-4的溶度积。15.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中步骤(a)中形成的所述沉淀具有小于2×10-10的溶度积。16.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述阳离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·M·洛克哈特，
申请(专利权)人：诺拉姆工程及建造有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA