木质纤维材料制备纤维素及羧甲基纤维素的方法技术

本发明专利技术涉及一种可广泛用于木质纤维类材料分离纤维素与木质素及制备羧甲基纤维素的方法。它包括以木质纤维为原料，先用碱性醇溶液将其溶胀碱化，加入过氧化氢、在微波辐射下，木质素与纤维素分离，制备高纯度纤维素，和／或加入一氯醋酸的碱性醇溶液制备高纯度羧甲基纤维素，本发明专利技术具有工艺简单、环保、成本较低和快速的优点，以及广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备纤维素及羧甲基纤维素的方法，特别是从含木质纤维的植物中分离 木质素与纤维素和制备高纯度羧甲基纤维素的方法。
技术介绍
木质纤维类材料，如各种农业残余物(玉米秸杆、麦秸杆、稻谷壳、稻草和玉米芯等)、 林业残余物(伐木产生的枝叶、死树、病树等)、野草、芦苇、专门栽培的作物(如松、杉、 杨、柳、枫、甘蔗、甜菜、甜高梁等)以及各种废弃物(城市固体垃圾、废纸、制糖生成的 蔗渣等)，都是纤维素、半纤维素和木质素等聚合物的复合物，是世界上存在最广泛的可再 生性生物质资源。目前，这部分资源尚未得到充分的开发利用，有些还造成污染，如秸秆、 稻草就地焚烧、农产品加工业排放废物、城市丢弃有机垃圾等。如能利用生物技术等手段， 迸行有效利用，将其中一部分转化为燃料、饲料、化工原料、药用辅料、食用添加剂等，即 可望对资源不足等难题的解决做出巨大贡献。木质纤维类材料的三种主要成分纤维素、半纤维素和木质素都有不同的用途，如纤维 素可以作为药用纤维素衍生物的原材料，酶解、微生物发酵、制造酒精的基质成分；半纤维 素作为微生物发酵生产木糖醇的基质；木质素作为合成芳香族化合物的原料等。但是，木质纤维类材料中，这三种成分聚合为一个整体。木质素又名木素，是木质纤维 类材料由许多苯丙垸为基本单位构成的大分子，木质纤维类材料中的木质素大部分存在于胞 间层中，即分布在纤维素的四周，木质素和半纤维素形成牢固结合层，包围着纤维素。因此， 要将三者分别利用，就必须将三者分离开来。木质纤维原料组分分离对于木质纤维原料综合 利用是必要的。造纸工业的制浆过程与分离木质素与纤维素过程基本一致。沿用制浆过程中的强酸或强 碱在高温下溶解木质素的方法。会耗用大量能源和化工原料，并且造成资源浪费和环境污染。中国专利CN1522324公开了一种在碱性组分、高温高压下，用亚硫酸盐使木质素脱离纤 维素的方法，其缺点是排放废液中有亚硫酸盐，易造成环境污染。一般认为，有机溶剂法是目前较好的木质素与纤维素分离技术，是实现无污染或低污染 "绿化环保"造纸的有效技术途径(廖俊和，纤维素科学与技术，2003， 11 (4): 60; Tyson. 美国专利US5705216; Fogarassy.美国专利US4135967; Diebold.美国专利US4100016; Roberts.美国专利US4746401; Vandemoek.美国专利US4178861; Dehaas.美国专利 US3951734)。有机溶剂法充分利用有机溶剂良好的溶解性和易挥发性，有机溶剂分离或溶解 木质素，达到木质素与纤维素的高效分离，然后可以通过蒸馏来回收有机溶机，反复循环利 用，无废水或少量废水排放，形成一个封闭循环的系统，而且通过蒸馏可以提纯木质素，得 到高纯度的有机木质素。Black等使用丙酮与乙醇的有机复合溶剂，以少量无机酸为催化剂， 蒸煮2h，可以分离出非常纯的木质素和纸浆(Black.美国专利US5730837)。 Paszler研究 发现，丙酮与水的混合液在少量无机酸，如盐酸、硫酸的催化作用下，温度20(TC，溶液循 环六次，几乎可以得到理论量的木质素(Paszler Laszlo.美国专利US4409032)。方华书等 利用高沸醇G，4一丁二醇)溶剂，在温度190-220'C下，蒸煮1-L5h，可以使甘蔗渣中的 纤维素与木质素分离，同时得到纤维素和高化学活性的木质素(方华书等，甘蔗，2002， 9(4): 15-19)。但是，由于木质素与纤维素、半纤维素之间形成有键连接，仅用有机溶剂提取木质素， 纤维素的纯度不够，且得率较低，而采用两种或两种以上的方法组合，效果得到改善。如将 汽爆技术与乙醇萃取能组合起来，先汽爆处理，回收半纤维素，同时木质素的结构中的a— 丙烯醚键和部分e—丙烯醚键部分裂开，然后用乙醇萃取抽提出木质素。但单靠汽爆处理物 理作用，不能彻底将木质素与纤维素和半纤维素的键连接全部断开，于是，有机溶剂抽提木 质素仍然不完全，得到的纤维素纯度虽可达85-90%，但仍然达不到药用和食品添加剂的要求。胡杰等采用微波辐射技术，从麦草中提取木质素,但过程中没有使用醇等有机溶剂和过 氧化氢(化工技术与开发，2006年08期)。CN101092435公开了一种方法，采用微波与超声波同时作用，强化分解，以20体积％ 70体积％浓度的有机溶剂水溶液，分解提取生物质中木质素和纤维素组分。该方法没有使 用过氧化氢，工艺较复杂,需要同时使用超声波和微波，工业化大生产难度较大。叶君等以棉纤维及纸浆为原料在微波辐照下制备羧甲基纤维素，棉纤维及纸浆都是含 很高含量纤维素的物质，没有涉及木质素与纤维素的分离(造纸科学与技术，2002年05 期)。要全生物量、充分利用木质纤维类材料中多种组分，特别是使纤维素达到药用或食品添 加剂的标准，有必要研究开发一种无污染、低耗高效分离木质素、纤维素和半纤维素的技术 和工艺。羧甲基纤维素(CMC)的应用较为广泛，它的最大用途是制皂及合成洗涤剂，用作新型建材 添加剂；其次是用作石油工业钻井泥浆的悬浮稳定剂；在造纸工业中作添加剂可提高纸的纵 向强度和平滑度，耐油性和吸墨性；在食品医药的应用则要求更高的标准，需要更高的纯度。 目前，食品医药级的羧甲基纤维素多从棉绒制备，造价较高。需要研究一种从低成本植物木 质纤维制备羧甲基纤维素的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种从普通木质纤维材料制备高纯度纤维 素和/或羧甲基纤维素的方法。本方法选择的原料来自农业木质纤维类废弃物，包括含有木 质纤维素的植物，优选甘蔗渣、玉米、高粱、稻草和麦草的秸杆。 本专利技术的具体技术方案如下(1) 制备纤维素:包括粉碎木质纤维，150-300目筛分(颗粒大约0.1-2毫米)，向木质纤维细 粉中加入5-20 (质量)倍含20-70% (体积)醇的碱性水溶液，碱溶液浓度为1-20% (质量)， 加入1-30% (质量)过氧化氢，微波辐射，然后过滤，滤渣经调节pH值为6. 5-7. 5、洗 漆后干燥，制得高纯度纤维素。(2) 制备羧甲基纤维素包括对步骤(l)所得滤渣加入1-IO倍体积的一氯醋酸/醇的碱溶液， 浓度为3-20% (质量)氢氧化钠或氢氧化钾，1-30% (质量)过氧化氢，微波辐射,制得羧 甲基纤维素粗品。(3) 提纯成品包括对步骤(2)所得粗品用常规方法进行分离、提纯，步骤如下先除去粗品 中的有机溶剂，然后加水搅拌，使之稀释溶解，接着用lN盐酸溶液调节pH值为6.5-7.5，最 后经离心洗涤、干燥、粉碎及筛分得到羧甲基纤维素产物。在加工过程中，可先将物料粉碎至颗粒状，反应过程不断进行搅拌，以加快反应。 以上所述的醇是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇和异丁醇等在常温常压下呈液态的低 碳醇。以上所述的步骤(1)和歩骤(2)中微波反应器的额定频率为300MHz-6. 4GHz，输出功率为 100-10kw，微波辐射的时间为2-30分钟以上所述的制备纤维素或羧甲基纤维素过程的干燥是采用自然干燥、晒干、热风干燥或烘炉，优选热风干燥，干燥的温度为105 — 11(TC。以上所述的木质纤维类材料分离纤维素与木质素及制备羧甲基纤维素的方法，步骤(l)和 步骤(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种木质纤维材料制备纤维素及羧甲基纤维素的方法，其特征在于：制备方法包括以下步骤：　　　　（１）制备纤维素：先粉碎木质纤维，过１５０－３００目筛分，向木质纤维细粉中加入５－２０倍质量含２０－７０％醇的碱性水溶液，碱溶液质量浓度为１－２０％，再加入质量浓度为１－３０％过氧化氢，微波辐射２－３０分钟，然后过滤，滤渣经调节ｐＨ值为６．５－７．５、洗涤后烘干，制得高纯度纤维素；　　　　（２）制备羧甲基纤维素：包括对步骤（１）所得滤渣加入１－１０倍体积的一氯醋酸／醇的碱溶液，质量浓度为３－５０％氢氧化钠或氢氧化钾，质量浓度１－５０％过氧化氢，微波辐射２－３０分钟，微波反应器的额定频率为３００ＭＨｚ－６．４ＧＨｚ，输出功率为１００－１０ｋｗ，制得羧甲基纤维素粗品；　　　　（３）提纯成品：包括对步骤（２）所得粗品用常规方法进行分离、乙醇清洗提纯，得到羧甲基纤维素产物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小刚，刘布鸣，秦卫华，刘元，程少威，林霄，
申请(专利权)人：广西壮族自治区中医药研究院，
类型：发明
国别省市：45[中国|广西]