一种同步制备多种生物质材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种同步制备多种生物质材料的方法，具体步骤如下：将废弃生物质加入酸溶液中，水热处理后固液分离获得处理液；对处理液离心分离，所得下层沉淀即为纤维素晶体，所得上层清液加抗溶剂后，离心分离，所得沉淀即为木质素纳米颗粒，将所得上层清液透析，即得到碳量子点溶液。该方法可利用废弃生物质快速同步制备多种生物质纳米材料，包括纤维素晶体(‑400nm)、木质素纳米颗粒(‑100nm)和碳量子点(2‑5nm)，大大提高传统纳米材料制备方法的普适性。且该发明专利技术涉及的制备方法快速、简单，易于工业化生产，成本低廉。

A method of simultaneous preparation of various biomass materials

【技术实现步骤摘要】
一种同步制备多种生物质材料的方法
本专利技术属于生物质纳米材料化学领域，具体涉及一种同步制备多种生物质材料的方法。
技术介绍
功能碳基材料因其具有独特的可调特性(例如，热和导电性，高机械强度和光学性能)，是解决环境和能源危机的关键。现阶段，不断增长的工业需求刺激了对无毒、低成本和环境友好型制备方法的研究。木质纤维素作为农林废弃物的有效成分，是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，其生物相容性和生物降解性使得其在包括生物医学设备、电子和能源在内的变革
有着巨大的应用潜力。因此，由木质纤维素制备的纳米生物材料正在成为一种极具吸引力的解决方案。近年来纤维素晶体作为一种新型的可再生材料受到广泛关注。其具有较大的化学反应活性、高纯度、较大比表面积、高结晶度、高亲水性、高强度、超精细结构和高透明性等优良特性，在精细化工、医药、食品、复合材料、新能源等领域具有应用前景。此外，研究发现木质素纳米粒子可通过将功能引入到聚合物基体中，制备出功能性高分子复合材料，以替代有毒的纳米材料。鉴于其良好的性质，该功能纳米复合材料在药物输送系统提供疏水分子，增强紫外线屏障，抗菌和抗氧化性能方面具有增值应用。一般而言，制备均匀的木质素纳米颗粒主要以可控的方式(液滴加注或透析)将木质素溶液通过控制沉淀实现颗粒的制备，即胶束化作用。另一种零维(-10nm)碳族纳米材料碳量子点，由于其光学性质及其在生物成像、药物传递和生物传感器方面的应用，也引起了极大关注。研究表明，碳量子点也能利用废弃生物质制备。尽管目前已有一些关于纤维素晶体、木质素纳米颗粒和碳量子点制备的报道，但大多方法涉及复杂的过程和苛刻的条件、耗时长(最长达3天)价格昂贵，因此难以推广应用，且目前尚无多种材料同时制备的报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种同步制备多种生物质材料的方法，该方法操作简单、耗时短、成本低，且能够实现纤维素晶体、木质素纳米颗粒以及碳量子点多种生物质材料的同步制备，实现了废弃生物质的功能材料资源化。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术一种同步制备多种生物质材料的方法，包括如下步骤:1)将废弃生物质加入酸溶液中获得浆液，对浆液进行水热处理，固液分离，获得处理液；所述酸溶液中的溶剂为包含四氢呋喃的混合溶剂；所述酸溶液中H+的浓度为0.12mol/L-0.4mol/L；2)对步骤1所得处理液进行离心分离，所得下层沉淀即为纤维素晶体，所得上层清液加入抗溶剂获得混合液，3)对步骤2所得混合液进行离心处理，所得沉淀即为木质素纳米颗粒；所得上层清液进行透析，获得碳量子点溶液。本专利技术的技术方案，通过将废弃生物质置于酸溶液中，通过简单的水热处理后，通过分步分离即可以同步制备出纳米级的纤维素晶体、木质素颗粒及碳量子点多种生物质材料，且所得纤维素晶体及木质素纳米颗粒、碳量子点均具有颗粒均匀，粒径分布窄的特点。本专利技术的技术方案中，在酸做催化剂的水热处理中，酸水解能够选择性地降解无定形区而得到纤维素晶体。同时，反应体系在在含四氢呋喃的溶液体系中进行，废弃生物质中的木质素在四氢呋喃的溶解作用下，从细胞壁中迁移出来。木质素是具有两亲性的聚合物，与木质纤维素分离后，与水接触时疏水性一端形成胶束核，同时亲水性一端形成胶团壳，从而形成木质素纳米颗粒的雏形。本专利技术利用酸为催化剂的含四氢呋喃的溶液体系中，使木质素溶出，同时去除无定型半纤维素及纤维素从而得到纤维素晶体。溶出的木质素在抗溶剂水的作用下，通过胶束作用形成木质素纳米颗粒。同时，在水热处理的过程中，部分溶解的小分子有机化合物能在热处理作用下通过脱水、聚合、碳化等过程，形成碳量子点。专利技术人发现，酸溶液中H+的浓度对于是否能获得多种生物质材料以及生物质材料的性能具有很大的影响，浓度过小，无法使得纤维素中无定型区域水解，从而无法得到高度结晶的纤维素晶体；浓度过大，所得木质素纳米颗粒的尺寸将变大，且不均匀，并失去纳米效应。优选的方案，所述步骤1中，废弃生物质与酸溶液的固液质量体积比为1:10-1:35(g/ml)。作为进一步优选，所述废弃生物质与酸溶液的固液质量体积比为1:15-25(g/ml)。作为更进一步优选，所述废弃生物质与酸溶液的固液质量体积比为1:20(g/ml)。优选的方案，所述步骤1中，酸溶液中的酸为H2SO4。优选的方案，所述H2SO4在酸溶液中的浓度为0.07mol/L-0.18mol/L。作为进一步的优选，所述H2SO4在酸溶液中的浓度为0.08mol/L-0.15mol/L。优选的方案，所述包含四氢呋喃的混合溶剂由四氢呋喃和水组成。在制备生物质材料中，各组分的分离是重点也是难点。专利技术人发现，混合溶剂中与水组合的溶剂的选择很重要，不同的溶剂对木质素的溶解作用不同，如乙醇作为溶剂时，由于对木质素的溶解能力有限，则无法有效的去除木质素，则不能高效的制备出纤维素晶体，而在本专利技术中，所采用的四氢呋喃对木质素具有优异的溶解能力，因此可实现木质素的有效分离，在稀酸的催化下即可酸解纤维素中的非结晶区域，高效的获得所需的纤维素晶体。优选的方案，所述包含四氢呋喃的混合溶剂中，四氢呋喃和水的体积比为40:60-70:30。在本专利技术中，四氢呋喃在混合溶剂中的占比也会影响到同步制备，四氢呋喃在混合溶剂中的占比过多或过少均会影响到木质素的溶出量，从而也影响到纤维素晶体的形成。作为进一步的优选，所述包含四氢呋喃的混合溶剂中，四氢呋喃和水的体积比为50:50-60:40。优选的方案，所述的废弃生物质选自玉米秸秆，水稻秸秆，小麦秸秆，甘蔗渣、柳枝稷中的至少一种。优选的方案，所述废弃生物质的粒径≤80目。作为进一步的优选，所述废弃生物质的粒径≤60目。优选的方案，所述废弃生物质先经粉碎至上述粒径后，再经超纯水清洗、烘干至恒重。作为进一步的优选，所述烘干的温度为40-80℃。优选的方案，步骤1中，所述水热处理的温度为145-185℃，处理时间为40-90min。在本专利技术中，水热处理的温度，对于同步获得多种生物质材料至关重要，温度过低则木质素溶出效果差，从而也将导致无法制备出纤维素晶体。作为进一步的优选，步骤1中，所述水热处理的温度为150-180℃，处理时间为40-80min。优选的方案，步骤2中，所述离心分离的转速为10000-15000rpm，时间为5-15min。优选的方案，步骤2中，所述抗溶剂为水。在本专利技术中，溶出的木质素在抗溶剂的加入过程中逐步通过胶束作用形成，抗溶剂的加入量过少则无法形成木质素纳米颗粒。优选的方案，步骤2中，所述混合液中，抗溶剂与上层清液的体积比为20-45:1。作为进一步的优选，步骤2中，所述混合液中，所述抗溶剂与上层清液的体积比为25-40:1。优选的方案，步骤3中，所述离心分离的转速为10000-15000rpm，时间为5-15min。优选的方案，步骤3中，所述透析过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同步制备多种生物质材料的方法，其特征在于,包括如下步骤:/n1)将废弃生物质加入酸溶液中获得浆液，对浆液进行水热处理，固液分离，获得处理液,/n所述酸溶液中的溶剂为包含四氢呋喃的混合溶剂,/n所述酸溶液中H

【技术特征摘要】
1.一种同步制备多种生物质材料的方法，其特征在于,包括如下步骤:
1)将废弃生物质加入酸溶液中获得浆液，对浆液进行水热处理，固液分离，获得处理液,
所述酸溶液中的溶剂为包含四氢呋喃的混合溶剂,
所述酸溶液中H+的浓度为0.12mol/L-0.4mol/L；
2)对步骤1所得处理液进行离心分离，所得下层沉淀即为纤维素晶体，所得上层清液加入抗溶剂获得混合液；
3)对步骤2所得混合液进行离心处理，所得沉淀即为木质素纳米颗粒；所得上层清液进行透析，获得碳量子点溶液。


2.根据权利要求1所述的一种同步制备多种生物质材料的方法，其特征在于：所述步骤1中，废弃生物质与酸溶液的固液质量体积比为1:10-1:35(g/ml)。


3.根据权利要求1所述的一种同步制备多种生物质材料的方法，其特征在于：所述步骤1中，酸溶液中的酸为H2SO4，所述H2SO4在酸溶液中的浓度为0.07mol/L-0.18mol/L。


4.根据权利要求1所述的一种同步制备多种生物质材料的方法，其特征在于：所述包含四氢呋喃的混合溶剂由四氢呋喃和水组成，所述四氢呋喃和水的体积比为40:60-70:30。


5.根据权利要求1所述的一种同步制备多种生物质材料的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：石岩，司梦莹，卓胜男，刘明人，颜旭，柴立元，杨志辉，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43