一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法，向生物质原料中加入季铵碱水溶液，水浴加热提取，过滤；滤液调pH5.0~6.0,减压浓缩，用三倍体积的乙醇处理并过滤；滤液减压蒸馏除去乙醇，调pH2.0‑3.0，离心分离，冷冻干燥，所得产品为生物质木质素。本发明专利技术采用的季铵碱提取生物质木质素的方法，提取过程成本低、条件温和、周期短、木质素的提取率高。经各种结构表征方法测得提取的木质素组分纯度高、分离再生过程中木质素功能结构保持较为完整、提取的木质素也保持较好的化学活性。

A method of extracting lignin from biomass by quaternary ammonium base

The invention discloses a method for extracting biomass utilization of lignin quaternary ammonium alkali is added to the aqueous quaternary ammonium solution in biomass raw material, water bath extraction, filtration; filtrate pH5.0~6.0, vacuum concentration, with three times the volume of ethanol and filtered; the filtrate vacuum distillation to remove ethanol, pH2.0 3, centrifugal separation. Freeze drying, the product of biomass lignin. The method of extracting biomass lignin by quaternary ammonium base is low in cost, mild condition, short cycle and high extraction rate of lignin. The lignin components extracted by various structural characterization methods were high purity, and the lignin functional structure remained intact during the regeneration process, and the extracted lignin also maintained good chemical activity.

【技术实现步骤摘要】
一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法
本专利技术涉及一种高分子化合物的提取方法，具体来说是一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法。
技术介绍
生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。从结构与化学组成上看，木质素的结构最为复杂，是由羟基或甲氧基取代的苯丙烷单体经无序聚合而成的三维复杂结构，是化学化工生产中芳香族化合物原料的丰富资源。化石能源的日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学的飞速发展决定木质素的经济效益的可持续发展性。木质素成本较低，木质素及其衍生物具有多种功能性，可作为分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂，木质素对人类可持续发展最为重大贡献就在于提供稳定、持续的有机物质来源，其应用前景十分广阔。研究木质素性能和结构的关系，利用木质素制造可降解、可再生的聚合物。随着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深入,天然高分子所具有的可再生、可降解,性等性质日益受到重视。废弃物的资源化与可再生资源的利用,是当代经济与社会发展的重大课题,也是对当代科学技术提出的新要求。在自然界中,木质素的储量仅次于纤维素,而且每年都以500亿吨的速度再生。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。因此，采用简便、低成本、条件温和的方法分离提取木质素的研究十分重要。木质素的基本结构单元可划分为以下三种：愈创木基（G）、紫丁香基（S）以及对羟苯基（H），这三种元素通过共价聚合构成了不同类型的聚合物，部分聚合物再通过分子间的吸引或共价结合最终交联形成具有多支链的、聚合度高且高度分散的三维立体木质素聚合体。这种结构常导致分离木质素中残留少量半纤维素等，木质素整体分离效率不高。目前，已报道的生物质木质素分离方法很多，这里根据处理溶剂的类型可分为以下四种：1）中性或碱性条件分离木质素。如传统的制浆法。不足：传统的制浆法，在制浆的过程中产生大量废水，废水中含有大量有机物，尤其是木质素，不仅造成环境污染还造成资源的大量浪费。2）酸性条件提取木质素。使用微酸性的二氧六环可以实现提取生物质木质素的分离提取。同时还可以使用一定浓度的苯磺酸盐水溶液对木质素进行提取并在水中析出其衍生物，即水溶性木质素。3）无机盐试剂提取木质素。例如使用亚硫酸盐水溶液在130℃条件下对植物进行处理，使其木质素组分衍生为木质素磺酸盐溶于水中。不足：该方法同时会将纤维素组分溶解。4）无机酸提取不溶性木质素。例如用质量分数72%的硫酸溶液（或40%盐酸溶液）水解脱除植物中的纤维素和其他糖类组分，所得残渣即为“酸性木质素”，若使用硫酸水解即称硫酸木质素或克拉森木质素；若使用盐酸水解即称盐酸木质素或威尔斯塔特木质素。不足：酸木质素在分离的过程中受到酸的作用，其结构会发生化学变化。在提取木质素工艺中，不同方法及分离条件会导致木质素结构单元之间的连接键型和功能基团的差异，进而导致提取率的不同。例如，传统工艺制浆过程中会产生大量的废水，废水中含有大量的有机物，尤其是木质素，木质素较难回收，并且会造成环境污染；酸性条件提取木质素，酸木质素在受到酸处理的过程中，其结构会发生变化；JiyingZhu应用厌氧消化辅助提取经稀碱预处理后的玉米秸秆木质素，提取率不高，只有46.2%。塔里木大学赵俭波采用NaOH从甘草渣中提取木质素，通过优化条件的方式，得到的木质素的提取率只有5%左右，且碱用量大，最优条件下固液比为1:30。武汉工业学院刘云雁采用NaOH作为碱液提取板栗壳中的木质素，碱液的用量大，最优条件下固液比为1:40，且木质素的提取率只达到10%左右，得到的是粗木质素，木质素的纯度不高。如何获得高活性木质素提取率是研究的关键。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法，它生产方法简便、能耗及生产成本低，提取到的木质素得率较高，品质好，木质素也具有较好的溶解性。为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案为：一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法，包括以下步骤：1）向生物质原料中加入季铵碱水溶液，水浴加热提取，过滤；2）滤液调pH5.0-6.0,减压浓缩，用三倍体积的乙醇处理并过滤；3）滤液减压蒸馏除去乙醇，调pH2.0-3.0，离心分离，冷冻干燥，所得产品为生物质木质素。所述的生物质原料包括但不限于花生壳、秸秆、木屑、稻壳、玉米杆、树皮等。所述的季铵碱水溶液种类，有四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵以及四丁基氢氧化铵。所述的季铵碱水溶液按质量分数计，季铵碱浓度为20-26%。所述的水浴加热的温度为40-60℃。所述的季铵碱水浴预处理的时间为10-18h。所述的秸秆量与季铵碱水溶液量的固液比为1:10-1:20（g/mL）。所述乙醇的体积浓度为95%。步骤2）优选采用乙酸调节pH，步骤3）中优选采用盐酸调节pH，盐酸的浓度为优选为6mol/L。本专利技术的原理：本专利技术用低浓度的季铵碱与生物质原料进行反应，使生物质原料中木质素与纤维素和半纤维素之间的键发生断裂，从而实现木质素与纤维素和半纤维素的分离，再用乙酸调节使溶液中的半纤维素析出，随后进行醇沉，过滤去除半纤维素，滤液减压浓缩去乙醇后加盐酸使木质素析出。有益效果：本专利技术采用的季铵碱提取生物质木质素的方法，提取过程成本低、条件温和、周期短、木质素的提取率高。经取样分析，纱布过滤后剩余的秸秆残渣中木质素的含量约为10～15%,废弃的溶液中木质素的含量约为5～10%，真空抽滤后剩余的半纤维素残渣中木质素的含量约为3～5%，木质素的提取率高达79.6%。本专利技术的提取条件温和，避免了传统方法对原料中木质素的结构影响，以及木质素的溶出损失。本专利技术的生产成本低，周期短，能够将废弃的生物质原料加以利用，有效地保护了环境。经各种结构表征方法测得提取的木质素组分纯度高、分离再生过程中木质素功能结构保持较为完整、提取的木质素也保持较好的化学活性。附图说明图1是实施例1中小麦木质素及分离木质素紫外光谱图；图2是实施例2中玉米秸秆木质素的1H-NMR分析图谱。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本专利技术。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、设备和方法为本
常规市购的试剂、设备和常规使用的方法。实施例1一种利用四甲基氢氧化铵提取小麦木质素的方法:将干燥过的小麦秸秆在索氏提取器中，以体积比为2:1的苯:乙醇溶液进行抽提，抽提时间6h，将剩余物烘干，得本实验所用的脱脂样品。取1.000g脱脂脱蜡秸秆，用Klason法测定小麦秸秆中木质素的含量，平行测三次，取平均值。准确称取10g烘干的小麦秸秆，加入200ml质量浓度为24%的四甲基氢氧化铵，在温度50℃条件下恒温水浴处理14h,趁热纱布过滤,滤液用乙酸调pH5.5,减压浓缩，用三倍体积的95%乙醇处理并真空抽滤。滤液减压蒸馏除去乙醇后用6mol/LHCl溶液调pH2.0，离心分离，冷冻干燥，得到小麦木质素。通过Klason法测木质素纯度高达90%以上，最优条件下碱液用量少，固液比为1:14经GPC技术测得其分子量为4500，计算木质素的提取率79.6%。本实施例提取的小麦木质素的标准木质素及分离木质素紫外光谱图如图1所示，从图中可以看出，两种物质展现的紫外吸收特征峰的位置基本相同：波长在28本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）向生物质原料中加入季铵碱水溶液，水浴加热提取，过滤；2）滤液调pH5.0‑6.0, 减压浓缩，用三倍体积的乙醇处理并过滤；3）滤液减压蒸馏除去乙醇，调pH2.0‑3.0，离心分离，冷冻干燥，所得产品为生物质木质素。

【技术特征摘要】
1.一种利用季铵碱提取生物质木质素的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）向生物质原料中加入季铵碱水溶液，水浴加热提取，过滤；2）滤液调pH5.0-6.0,减压浓缩，用三倍体积的乙醇处理并过滤；3）滤液减压蒸馏除去乙醇，调pH2.0-3.0，离心分离，冷冻干燥，所得产品为生物质木质素。2.根据权利要求1所述的利用季铵碱提取生物质木质素的方法，其特征在于：所述的生物质原料为花生壳、小麦秸秆、木屑、稻壳、玉米杆或者树皮中的至少一种。3.根据权利要求1所述的利用季铵碱提取生物质木质素的方法，其特征在于：所述的季铵碱为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵以及四丁基氢氧化铵中的至少一种。4.根据权利要求1所述的利用季铵碱提取生物质木质素的方法，其特征在于：所述的季铵碱水溶液，按质量分...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾红华，程芳，朱瀛奎，韦萍，周俊，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32