一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法技术

本发明专利技术公开了一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法，首先采用酸法水解秸秆半纤维素获得可发酵单糖；其次采用有机溶剂法提取秸秆木质素获得高活性木质素；然后采用碱性氧化法精制纤维素，获得高纯度、低聚合度的秸秆纤维素；最后对秸秆纤维素进行醚化改性制备羧甲基纤维素。本发明专利技术不仅能得到超低粘度的羧甲基纤维素，而且实现了秸秆半纤维素和木质素的分离和资源化利用，制得低粘度羧甲基纤维素外观状态为白色或者微黄色粉末，具有纯度高、粘度低、溶解速度快、透明度好的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农林生物质资源利用领域，具体涉及一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法。
技术介绍
羧甲基纤维素由于具有优良的增稠、分散、悬浮、粘合、保护水分、保护胶体等性能，已经广泛应用于食品、医药、日用化学工业、纺织工业、造纸工业和石油化工等领域。随着市场对羧甲基纤维素品质需求的不同，使其逐渐分成高、中、低、超低等不同粘度范围的多种型号产品。超低粘度羧甲基纤维素作为涂布加工纸生产过程的施胶剂、石油钻井过程中的降滤失剂以及纺织过程中的上浆剂具有较高的经济价值和较大的市场需求。目前制备羧甲基纤维素的原料一般是精制棉和木浆，其原料供应不足，生产成本较高。此外，要生产超低粘度羧甲基纤维素，后期需要采用氧化剂对羧甲基纤维素进行降粘，导致整个生产工艺较为复杂。中国是农业大国，每年能产生6～7亿吨农作物秸秆，但是这些资源没有得到合理的开发和利用，除了少部分用于制作肥料和饲料，大部分被焚烧、丢弃造成严重的资源浪费和环境污染。农作物秸秆属于木质纤维素类原料，主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。纤维素每个葡萄糖基环上均有3个羟基，能发生醚化、酯化、接枝共聚等反应，从而合成羧甲基纤维素、醋酸纤维素等纤维素基衍生物。半纤维素为非均一聚糖，主要由木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖等单元构成，容易被酸水解产生可发酵的单糖。半纤维素水解液通过微生物代谢可以产生沼气、乙醇、丁醇等化工产品。木质素是苯基丙烷结构单元通过酯键、醚键和碳-碳键组成的大分子聚合物。采用有机溶剂提取的木质素保留了多种活性基团，是一种良好的化工原料，可以通过醇解、磺化、酰化、烷基化、卤化、缩聚和接枝共聚等多种化学反应合成酚类燃料、木质素磺酸盐、环氧树脂等木质素基衍生物。由于秸秆原料中纤维素、半纤维素和木质素三大组分通过氢键和化学键作用相互缠绕构成复杂的结构，导致使用单一的预处理方法无法实现秸秆组分分离和综合利用。中国专利申请CN101985479A公开了小麦秸秆羧甲基纤维素的制备和应用，将小麦秸秆
粉碎后用稀碱预处理，漂白、碱化后与氯乙酸反应，然后醚化得到小麦秸秆羧甲基纤维素。中国专利申请CN103408671A利用农作物秸秆制取羧甲基纤维素及木质素磺酸钠的方法，采用一锅法制取木质素磺酸钠，其剩余纤维素经过漂白，再粉碎，然后进行醚化，制取羧甲基纤维素。中国专利申请CN104894185A公开了一种从秸秆制备羧甲基纤维素钠的方法，采用复合生物催化剂和复合反应催化剂制备秸秆纤维素，进而醚化改性制备羧甲基纤维素。上述专利申请没有充分利用农作物秸秆半纤维素和木质素组分，资源利用率较低。中国专利申请CN101857639A公开了一种使用玉米秸秆生产生物丁醇的残渣制备羧甲基纤维素钠的方法，采用蒸汽爆破提取半纤维素结合酶水解获得可发酵糖，然后利用碱抽提木质素得到渣料再经漂白水洗得到用于制备羧甲基纤维素钠的纤维浆料。蒸汽爆破预处理需要在高温高压条件下进行(170℃，15～17kg/cm2)，其能耗较高，所得的半纤维素需进一步采用成本较高的酶水解方式获得可发酵糖；其次采用碱抽提木质素会产生大量黑液，碱回收成本高，黑液处理困难；此外，使用上述方法得到的羧甲基纤维素粘度为35～6500mPa.s，无法获得超低粘度的羧甲基纤维素。中国专利申请CN102367279A公开了一种棉纤维制备特低粘度羧甲基纤维素钠的制备方法，采用降粘剂对棉纤维素和醚化产物进行了两次降粘获得了特低粘度羧甲基纤维素钠(8～17mPa.s)，该方法需要多次降粘并且后续需要除去降粘剂。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法，首先采用酸法水解秸秆半纤维素获得可发酵单糖；其次采用有机溶剂法提取秸秆木质素获得高活性木质素；然后采用碱性氧化法精制纤维素，获得高纯度、低聚合度的秸秆纤维素；最后对秸秆纤维素进行醚化改性制备羧甲基纤维素，本申请不仅能得到超低粘度的羧甲基纤维素，而且实现了秸秆半纤维素和木质素的分离和资源化利用。本专利技术是通过以下技术方案予以实现的：本专利技术的目的是提供一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法，包括如下步骤：(1)半纤维素水解液的制备：将秸秆粉碎至20～80目，加入质量分数为0.5％～5％的无机酸溶液，所述秸秆与所述无机酸溶液的固液比为1:5～20，反应温度为100℃～150℃，反应时
间为0.5h～5h，过滤后得到半纤维素水解液，滤渣用水洗涤，过滤得到一次预处理滤渣；(2)木质素的制备：在步骤(1)中得到的一次预处理滤渣中加入质量分数为30％～80％的有机溶剂，所述一次预处理滤渣与所述有机溶剂溶液的固液比为1:6～20，反应温度为140℃～200℃，反应时间为0.5h～3h，过滤后得到反应液和二次预处理滤渣，所述二次预处理滤渣先用质量分数为30％～80％的有机溶剂洗涤，再用80℃热水洗涤，过滤得到二次预处理残渣和有机溶剂洗涤液，将所述反应液和有机溶剂洗涤液合并，加入该合并溶液的2倍体积水后用酸调至pH2～3，过滤收集含有有机溶剂的木质素，有机溶剂通过减压蒸馏进行回收，得到木质素；(3)秸秆纤维素的制备：在步骤(2)所述二次预处理残渣中加入质量分数为0.5％～5％的碱和质量分数为1％～5％的双氧水的水溶液，固液比为1:6～15，反应温度为50℃～100℃，反应时间为2h～8h，过滤后用水洗涤固体残渣并烘干，得到秸秆纤维素；(4)超低粘度羧甲基纤维素的制备：将步骤(3)所述秸秆纤维素进行醚化改性，包括如下步骤，a)将所述秸秆纤维素进行碱化处理，所述秸秆纤维素与碱的质量比为0.5:2，纤维素与有机溶剂的比为1:10～16，碱化温度为20℃～40℃，时间为0.5h～3h；b)在所述步骤a的碱化溶液中加入氯乙酸钠进行醚化反应，所述秸秆纤维素与所述氯乙酸钠的质量比为1:1～2，醚化反应温度为40℃～80℃，醚化反应时间为0.5h～3h；c)醚化反应结束后，用酸进行中和，调至pH为7～8，抽滤后用有机溶剂洗涤沉淀2～3次，然后烘干，即得超低粘度羧甲基纤维素。本申请中固液比是指固体和液体的混合比例，单位为g/mL。本申请中采用酸水解和碱性氧化漂白手段降低纤维素聚合度，成功制备超低粘度羧甲基纤维素，制得的羧甲基纤维素钠，外观状态为白色或者微黄色粉末，具有纯度高、粘度低、溶解速度快、透明度好的特点。优选地，所述秸秆选自小麦秸秆、稻草秸秆、玉米秸秆或甘蔗渣中的一种。优选地，所述步骤(1)中无机酸选自盐酸、硫酸、硝酸或磷酸中的一种。优选地，所述步骤(2)中有机溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇或丙酮中的一种。优选地，所述步骤(3)中碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种。优选地，所述步骤(4)中碱选自氢氧化钠或者氢氧化钾中的一种。优选地，所述步骤(4)中有机溶剂均选自乙醇、异丙醇、叔丁醇中的一种。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提供了一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法，所述方法使用废弃的农作物秸秆为原料，避免了资源的浪费，有效降低了生产成本；2、本专利技术提供了一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法，所述方法采用酸水解秸秆半纤维素得到可发酵单糖，有机溶剂抽提秸秆木质素得到高活性木质素，剩余秸秆纤维素经精制和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)半纤维素水解液的制备：将秸秆粉碎至20～80目，加入质量分数为0.5％～5％的无机酸溶液，所述秸秆与所述无机酸溶液的固液比为1:5～20，反应温度为100℃～150℃，反应时间为0.5h～5h，过滤后得到半纤维素水解液，滤渣用水洗涤，过滤得到一次预处理滤渣；(2)木质素的制备：在步骤(1)中得到的一次预处理滤渣中加入质量分数为30％～80％的有机溶剂，所述一次预处理滤渣与所述有机溶剂溶液的固液比为1:6～20，反应温度为140℃～200℃，反应时间为0.5h～3h，过滤后得到反应液和二次预处理滤渣，所述二次预处理滤渣先用质量分数为30％～80％的有机溶剂洗涤，再用80℃热水洗涤，过滤得到二次预处理残渣和有机溶剂洗涤液，将所述反应液和有机溶剂洗涤液合并，加入该合并溶液的2倍体积水后用酸调至pH2～3，过滤收集含有有机溶剂的木质素，有机溶剂通过减压蒸馏进行回收，得到木质素；(3)秸秆纤维素的制备：在步骤(2)所述二次预处理残渣中加入质量分数为0.5％～5％的碱和质量分数为1％～5％的双氧水的水溶液，固液比为1:6～15，反应温度为50℃～100℃，反应时间为2h～8h，过滤后用水洗涤固体残渣并烘干，得到秸秆纤维素；(4)超低粘度羧甲基纤维素的制备：将步骤(3)所述秸秆纤维素进行醚化改性，包括如下步骤，a)将所述秸秆纤维素进行碱化处理，所述秸秆纤维素与碱的质量比为0.5:2，纤维素与有机溶剂的比为1:10～16，碱化温度为20℃～40℃，时间为0.5h～3h；b)在所述步骤a的碱化溶液中加入氯乙酸钠进行醚化反应，所述秸秆纤维素与所述氯乙酸钠的质量比为1:1～2，醚化反应温度为40℃～80℃，醚化反应时间为0.5h～3h；c)醚化反应结束后，用酸进行中和，调至pH为7～8，抽滤后用有机溶剂洗涤沉淀2～3次，然后烘干，即得超低粘度羧甲基纤维素。...

【技术特征摘要】
1.一种秸秆组分分离制备超低粘度羧甲基纤维素的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)半纤维素水解液的制备：将秸秆粉碎至20～80目，加入质量分数为0.5％～5％的无机酸溶液，所述秸秆与所述无机酸溶液的固液比为1:5～20，反应温度为100℃～150℃，反应时间为0.5h～5h，过滤后得到半纤维素水解液，滤渣用水洗涤，过滤得到一次预处理滤渣；(2)木质素的制备：在步骤(1)中得到的一次预处理滤渣中加入质量分数为30％～80％的有机溶剂，所述一次预处理滤渣与所述有机溶剂溶液的固液比为1:6～20，反应温度为140℃～200℃，反应时间为0.5h～3h，过滤后得到反应液和二次预处理滤渣，所述二次预处理滤渣先用质量分数为30％～80％的有机溶剂洗涤，再用80℃热水洗涤，过滤得到二次预处理残渣和有机溶剂洗涤液，将所述反应液和有机溶剂洗涤液合并，加入该合并溶液的2倍体积水后用酸调至pH2～3，过滤收集含有有机溶剂的木质素，有机溶剂通过减压蒸馏进行回收，得到木质素；(3)秸秆纤维素的制备：在步骤(2)所述二次预处理残渣中加入质量分数为0.5％～5％的碱和质量分数为1％～5％的双氧水的水溶液，固液比为1:6～15，反应温度为50℃～100℃，反应时间为2h～8h，过滤后用水洗涤固体残渣并烘干，得到秸秆纤维素；(4)超低粘度羧甲基纤维素的制备：将步骤(3)所述秸秆纤维素进行醚化改性，包括如下步骤，a)将所述秸秆纤维素进行碱化处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈新德，黎海龙，张海荣，熊莲，郭海军，林晓清，黄超，陈雪芳，王璨，彭芬，齐高相，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，中科院广州能源所盱眙凹土研发中心，
类型：发明
国别省市：广东;44