一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法及其应用。该方法包括如下步骤：(1)将木质纤维生物质加入到有机酸‑过氧化物混合溶液中，于50℃～90℃条件下反应1～4小时，过滤，取固体；然后再次加入相同体积的有机酸‑过氧化物混合溶液，于50℃～100℃条件下反应1～4小时，待反应结束后，过滤，分离得到固体残渣和液体；其中，固体残渣即为高纯纤维素；(2)往步骤(1)中得到的液体中加入超纯水，静置，离心，得到木质素纳米颗粒；其中，液体与超纯水的体积比为1:1～10。本发明专利技术方法实现了高纯纤维素和纳米木质素颗粒的同步制备，所获得的木质素纳米颗粒具有纳米效应且粒径分布均匀，其分散性好。

A method of simultaneous preparation of high-purity cellulose and lignin nanoparticles from lignocellulose and its application

The invention discloses a method for synchronously preparing high-purity cellulose and lignin nanoparticles from wood fiber and its application. The method comprises the following steps: (1) adding the lignocellulosic biomass to the mixed solution of organic acid-peroxide, reacting for 1-4 hours at 50 \u2103 ~ 90 \u2103, filtering, and taking the solid; adding the mixed solution of organic acid-peroxide of the same volume again, reacting for 1-4 hours at 50 \u2103 ~ 100 \u2103, filtering, separating the solid residue and Liquid: the solid residue is high-purity cellulose; (2) add ultra pure water to the liquid obtained in step (1), stand and centrifugate to obtain lignin nanoparticles; the volume ratio of liquid and ultra pure water is 1:1-10. The method realizes the synchronous preparation of high-purity cellulose and nano lignin particles, and the obtained lignin nano particles have nano effect, uniform particle size distribution and good dispersion.

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法及其应用
本专利技术属于生物质综合利用领域，特别涉及一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法及其应用。
技术介绍
木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源，它以多种形式存在于自然界中，由半纤维素、纤维素和木质素三大主要组分构成。其中半纤维素大多被用于生产木糖、木聚糖、功能性聚糖以及糠醛等化学产品。纤维素主要应用于纺织、造纸、塑料等传统行业。而木质素则主要作为制浆造纸行业或生物燃料乙醇行业的副产物，常常被作为废弃物丢弃或作为低附加值产品用于分散剂、减水剂等建筑领域。木质纤维生物质是由纤维素、半纤维素和木质素相互缠绕构成的一个整体。无论是利用半纤维素的糠醛产业还是使用纤维素的造纸行业，对于木质纤维生物质的开发仅局限于其中的一种成分，而其他组分则作为副产物被废弃或低值化利用，这对于木质纤维生物质的可持续发展、环境保护以及企业的长远发展都是不利的。因此，迫切需要开发基于木质纤维生物质的三大组分高值化利用的方法。近几年，许多学者也提出了基于半纤维、纤维素或木质素优先使用的生物质精炼方法。如：半纤维素制备糠醛后的残渣开发，但经过酸处理后的糠醛渣结构明显变化，很难再被用于基于纤维素或木质素结构的产品开发中且难以将纤维素和木质素高效的分离，多数被用于肥料和燃料的低值化开发。纤维素优先利用的造纸行业则把蒸煮后黑液中的木质素用于生产木质素磺酸盐或作为燃烧的原料低值化利用。而目前并没有真正意义上的木质素产业化利用。木质素纳米颗粒是指纳米级别的木质素颗粒，纳米木质素不仅具有纳米颗粒的表面效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应，在物理和化学方面展现特异的性质而且来源于天然材料的木质素具有可再生和可生物降解的特点，这对于木质素的高效利用和可持续发展具有重大意义。目前木质素纳米颗粒的生产多使用有机溶剂处理已经获得的碱木质素，然后用大量的水进行透析，从而获得木质素纳米颗粒(M.Lievonen,J.J.Valle-Delgado,M.L.Mattinen,E.L.Hult,K.Lintinen,M.A.Kostiainen,A.Paananen,G.R.Szilvay,H.andM.Asimpleprocessforligninnanoparticlepreparation,GreenChemistry[J],2016,18,1416-1422.)。这种制备方法不仅消耗大量的水而且污染环境，制约着纳米木质素的工业化推广。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法。该方法操作简单、成本低，且能够实现高纯纤维素和木质素纳米颗粒的一锅法制备，实现了木质纤维生物质的高值化利用。本专利技术的另一目的在于提供所述木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法，包括如下步骤：(1)将木质纤维生物质加入到有机酸-过氧化物混合溶液中，于50℃～90℃条件下反应1～4小时，过滤，取固体；然后再次加入相同体积的有机酸-过氧化物混合溶液，于50℃～100℃条件下反应1～4小时，待反应结束后，过滤，分离得到固体残渣和液体；其中，固体残渣即为所述的高纯纤维素；(2)往步骤(1)中得到的液体中加入超纯水，静置，离心，得到所述的木质素纳米颗粒；其中，液体与超纯水的体积比为1:1～10。步骤(1)中所述的木质纤维生物质优选为通过如下方法制备得到：将木质纤维生物质粉碎过筛，然后用超纯水洗涤干净，再烘干至恒重，得到干燥的木质纤维生物质。所述的过筛为过60～80目筛；优选为过60目筛。所述的烘干的温度为40～80℃；优选为60℃。步骤(1)中所述的木质纤维生物质为玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、制备功能糖的残渣和秸秆中的至少一种。步骤(1)中所述的木质纤维生物质与有机酸-过氧化物混合溶液的固液比为1:5～10(g/mL)；优选为1:10(g/mL)。步骤(1)中所述的有机酸-过氧化物混合溶液为有机酸溶液和过氧化物溶液按体积比1～8:1混合得到的混合溶液；优选为有机酸溶液和过氧化物溶液按体积比7～8:2～3混合得到的混合溶液；更优选为有机酸溶液和过氧化物溶液按体积比4:1混合得到的混合溶液。所述的有机酸溶液为草酸溶液、甲酸溶液、乙酸溶液和对甲苯磺酸溶液中的至少一种；所述的过氧化物溶液为过氧甲酸溶液、过氧化氢溶液、过氧化钠溶液和过氧化钙溶液中的至少一种。所述的甲酸溶液的浓度为质量百分比90％～95％；优选为质量百分比95％。所述的乙酸溶液的浓度优选为质量百分比36％～38％。所述的对甲苯磺酸溶液的浓度优选为质量百分比60％～80％；优选为质量百分比80％。所述的过氧化氢溶液的浓度优选为质量百分比35％～37％。所述的过氧甲酸溶液的浓度优选为质量百分比40％～60％；优选为质量百分比40％。步骤(1)中所述的第一次加入有机酸-过氧化物混合溶液进行反应的条件优选为在50℃～80℃条件下反应2～4小时；第二次(再次)加入有机酸-过氧化物混合溶液进行反应的条件优选为在60℃～90℃条件下反应2～4小时。步骤(2)中所述的固体残渣中纤维素的含量为90％以上；优选为96％以上。步骤(2)中所述的液体与超纯水的体积比优选为1:2～10；更优选为1:4～10；最优选为1:10。步骤(2)中所述的静置的时间为2～72h；优选为24h。步骤(2)中所述的离心的条件为：6000～12000rpm离心2～10min；优选为10000～12000rpm离心3～10min。步骤(2)中所述的木质素纳米颗粒的平均粒径为1000nm以下；优选为500nm以下；更优选为100～400nm。所述的木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法在制备纸张，溶解浆，纳米纤维素和/或木质素纳米颗粒中的应用。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本专利技术提供了一种基于制浆造纸行业的木质素高效利用技术，将木质纤维生物质加入到有机酸-过氧化物混合溶液中，分两段加热处理一定时间后，过滤分离固体和液体；所获得固体为高纯度的纤维素残渣，可用于制备纸张、溶解浆、纳米纤维素等产品；所获得液体加水沉淀静置一段时间后，离心上清液可获得木质素纳米颗粒。本专利技术中还发现所获得液体中加入水的体积多少对最终获得的木质素纳米颗粒的平均粒径有显著影响。加入的水溶液较少，木质素沉淀出的少，溶解在有机酸-过氧化物酸溶液中的木质素较多，离心后获得的纳米木质素颗粒的平均粒径较大；而加入水溶液较多的样品，在静置相同的时间后，离心获得的纳米木质素颗粒的平均粒径较小。(2)在有机酸-过氧化物混合溶液热处理过程中，木质纤维生物质中的木质素会逐渐从细胞壁中迁移出来，溶解于有机酸溶液中。木质素是一种两亲性共聚物，与水接触时疏水的一端会行成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将木质纤维生物质加入到有机酸-过氧化物混合溶液中，于50℃～90℃条件下反应1～4小时，过滤，取固体；然后再次加入相同体积的有机酸-过氧化物混合溶液，于50℃～100℃条件下反应1～4小时，待反应结束后，过滤，分离得到固体残渣和液体；其中，固体残渣即为所述的高纯纤维素；/n(2)往步骤(1)中得到的液体中加入超纯水，静置，离心，得到所述的木质素纳米颗粒；其中，液体与超纯水的体积比为1:1～10。/n

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将木质纤维生物质加入到有机酸-过氧化物混合溶液中，于50℃～90℃条件下反应1～4小时，过滤，取固体；然后再次加入相同体积的有机酸-过氧化物混合溶液，于50℃～100℃条件下反应1～4小时，待反应结束后，过滤，分离得到固体残渣和液体；其中，固体残渣即为所述的高纯纤维素；
(2)往步骤(1)中得到的液体中加入超纯水，静置，离心，得到所述的木质素纳米颗粒；其中，液体与超纯水的体积比为1:1～10。


2.根据权利要求1所述的木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的木质纤维生物质与有机酸-过氧化物混合溶液的固液比为1:5～10；
步骤(2)中所述的液体与超纯水的体积比为1:2～10。


3.根据权利要求2所述的木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的木质纤维生物质与有机酸-过氧化物混合溶液的固液比为1:10；
步骤(2)中所述的液体与超纯水的体积比为1:10。


4.根据权利要求1所述的木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的有机酸-过氧化物混合溶液为有机酸溶液和过氧化物溶液按体积比1～8:1混合得到的混合溶液。


5.根据权利要求4所述的木质纤维同步制备高纯纤维素和木质素纳米颗粒的方法，其特征在于：
所述的有机酸溶液为草酸溶液、甲酸溶液、乙酸溶液和对甲苯磺酸溶液中的至少一种；
所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：任俊莉，王孝辉，王小慧，李蕊，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44