一种工业木质素的高值化利用方法技术

本发明专利技术属于工业木质素的综合利用技术领域，具体涉及一种工业木质素的高值化利用方法，本发明专利技术采用价格低廉、绿色环保的三价铁盐和纳米二氧化钛组成复合光催化氧化体系，在光照下即可将工业木质素用于产生清洁电能，成本低，且实现了工业木质素的高值化利用。同时，本发明专利技术不需要额外引入其它外部条件，仅通过自然界的太阳光照射即可将碱木质素、木质素磺酸盐等工业木质素降解，从而极大降低了能耗和成本。同时，还可以将生物质能、太阳能转化为清洁电能。此外，本发明专利技术的阳极电解液、阴极电解液中使用的酸均为稀酸，环境污染小。因此，本发明专利技术可充分利用工业木质素降解过程释放的化学能来耦合发电，从而实现了工业木质素的高值化利用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种工业木质素的高值化利用方法


[0001]本专利技术属于工业木质素的综合利用
，具体涉及一种工业木质素的高值化利用方法。

技术介绍

[0002]生物质种类丰富、储量大、可再生，可通过物理化学方法转化为其他形式的能源和化学品，因而受到人们的广泛关注。其中，木质素是植物细胞壁的三大组成成分之一，广泛存在于各种植物中。天然木质素结构非常复杂，一般由对羟苯基，愈创木基和紫丁香基三种基本结构单元通过C
‑
O、C
‑
C等化学键连接而形成。由于木质素中存在多种活性官能团和芳香环，使其具有广泛的应用价值。
[0003]含天然木质素的木质纤维素类生物质经制浆造纸或生物炼制等生产过程时副产大量工业木质素。据统计，世界上年产工业木质素上亿吨，其中，我国工业木质素年产量已超过2000万吨。目前，工业木质素的有效利用率不足20％，大部分工业木质素通过焚烧发电或回收热能等低值方式利用，既造成资源的严重浪费，又向环境排放了大量CO2，严重阻碍了“碳达峰，碳中和”双碳目标的实现。
[0004]根据制浆蒸煮工艺的不同，工业木质素主要分为碱木质素、木质素磺酸盐、木质素硫酸盐、有机溶剂木质素等类型。其中，用烧碱法蒸煮得到的工业木质素是碱木质素；用酸法制浆工艺中的亚硫酸盐法蒸煮得到的工业木质素是木质素磺酸盐；用硫酸盐法得到的是硫酸盐木质素；而采用有机溶剂法进行分离时得到的工业木质素是有机溶剂木质素。目前，木质纤维素类生物质经生物精炼厂精炼时，一般只关注碳水化合物的增值利用，如生物乙醇、制浆和造纸等，故在分离精炼的过程中易导致木质素组分发生不可逆的缩合缩聚。因此，副产的工业木质素具有水溶性差、分子量高、反应活性低等一系列缺点，使其高值化利用非常具有挑战性。因此，研究开发工业木质素的高值化利用具有重要的经济和环境效益。
[0005]目前，工业木质素的应用研究已引起广泛关注。利用工业木质素作为水泥的改性添加剂，可生产出高性能的混凝土。利用工业木质素丰富的羟基可用于制备木质素/聚氨酯类高分子材料和木质素基酚醛胶黏剂等；利用工业木质素的抗菌、抗氧化等性能，可开发在日化领域方面的潜在应用；利用工业木质素作为活性炭的前体，将其在无氧气氛中碳化和活化，可制得具有丰富微孔、介孔结构的多孔碳材料，进而可将其应用在超级电容器、钾离子电池、催化剂、吸附剂等领域。
[0006]此外，目前商业化的生物质发电技术主要是直燃发电等技术，受卡诺循环影响，发电效率低。而尚处于研究阶段的生物质燃料电池技术主要有固体氧化物燃料电池、微生物燃料电池、直接生物质燃料电池等类型。固体氧化物燃料电池需要将生物质高温气化或碳化，能耗过高，效率较低，产生的电能远小于消耗的电能。微生物燃料电池尽管工作温度低，具有降解污染物和产电双重功能，但电池产电效率很低，且产电微生物自身代谢能力和循环利用率低，易受热或某些化学物质破坏而失活，电池性能稳定性差。目前报道的直接生物质燃料电池均需要外界加热供能，其消耗的电能远高于发出的电能，没有显著的经济价值。
[0007]综上所述，工业木质素产量丰富，且具有较大的潜在应用价值，但是实际工业化应用的技术较少。目前大规模采用的焚烧发电方式，因受卡诺循环限制，发电效率低，且会向环境排放大量温室气体。而尚处于研究阶段的生物质燃料电池技术需要外界供给大量电能加热，加热消耗的电能远高于产生的电能，无法实现产业化。因此，开发新型的工业木质素高效清洁发电技术，可以实现工业木质素高值化利用和保护环境的双重目标。

技术实现思路

[0008]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的首要目的是提供一种工业木质素的高值化利用方法。
[0009]本专利技术的第二个目的是提供由上述工业木质素高值化利用方法延伸出来的电解液及生物质燃料电池。
[0010]本专利技术的上述第一个目的是通过以下技术方案来实现的：
[0011]一种工业木质素的高值化利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012]S1、制备阳极电解液：先制备包含三价铁盐、酸、纳米二氧化钛和工业木质素的混合溶液，然后置于光照下进行光诱导降解制得阳极电解液：
[0013]配制阳极电解液加入至光反应器中于光照条件下进行光诱导降解反应；该步骤是为了降解工业木质素并存储电子于电解液中，在逐步降解工业木质素大分子的同时，储存和输运工业木质素分子价键断裂时释放的电子，为利用生物质燃料电池系统对外部负载供电奠定基础。
[0014]该步骤在光照条件下进行反应是因为三价铁盐和纳米二氧化钛可吸收紫外
‑
可见光，利用太阳光激发三价铁离子和二氧化钛使其处于高能状态，高效断裂工业木质素分子的化学键以降解工业木质素分子。
[0015]该步骤中加入酸是为了增大氧化剂三价铁盐的溶解度和稳定性，在酸性条件下更有利于发挥三价铁盐的反应活性，同时提供的H
+
通过质子交换膜从阳极传递到阴极以与外电路输运的电子形成闭合回路。加入纳米二氧化钛，可以提升电解液能量密度和在可见光区的光诱导降解能力，使得催化降解更加高效。
[0016]S2、制备阴极电解液：先制备包括五价钒盐和酸的混合溶液，室温下搅拌至澄清透明，制得阴极电解液，所述阴极电解液包括五价钒盐和酸；
[0017]该步骤是为了制备阴极电解液，为后续与步骤S1共同构建生物质燃料电池系统奠定基础。
[0018]该步骤中选五价钒盐作为阴极电子载体，是因为五价钒盐标准电极电位约为1V，高于阳极电子载体三价铁盐标准电位～0.77V，因此将其用在阴极会增大电池的开路电压，赋予电池优异的电性能。该步骤中加入酸是为了增大五价钒盐的溶解度和氧化还原活性，在酸性条件下更有利于发挥五价钒盐的活性。
[0019]S3、构建生物质燃料电池系统：将步骤S1的阳极电解液加入到阳极电解液槽中，并将步骤S2的阴极电解液加入到阴极电解液槽中，然后用导管将阳极电解液槽与电池的阳极进出口及阳极泵相连，阴极电解液槽与电池的阴极进出口及阴极泵相连，最后启动构建得到的生物质燃料电池系统即可实现工业木质素的高值化利用。
[0020]优选地，所述工业木质素为碱木质素、木质素磺酸盐中的一种或两种。
[0021]进一步地，所述碱木质素为改性后的羧化碱木质素。所述的碱木质素为棕褐色粉末或液体，无特殊异味，无毒，经羧化改性后易溶于水及酸液。
[0022]进一步地，所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钠。所述木质素磺酸钠为棕褐色粉末，无特殊异味，无毒，易溶于水及酸液，具有较强的分散能力。木质素磺酸钠单体的主要结构单元如下所示：
[0023][0024]本专利技术提供了一种工业木质素高值化利用方法，使用了廉价的三价铁盐和纳米TiO2作为催化氧化剂，构建复合光催化氧化体系，在将工业木质素高效降解的同时，还可以充分利用降解过程释放的化学能来耦合发电。与现有技术相比，本专利技术利用生物质燃料电池原理来直接利用工业木质素发电的方法，不仅无需经过复杂的转化过程即可将工业木质素中的生物质能高效转化为电能，而且操作简单，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业木质素的高值化利用方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备阳极电解液：先制备包含三价铁盐、酸、纳米二氧化钛和工业木质素的混合溶液，然后置于光照下进行光诱导降解制得阳极电解液；S2、制备阴极电解液：先制备包括五价钒盐和酸的混合溶液，室温下搅拌至澄清透明，制得阴极电解液；S3、构建生物质燃料电池系统：将步骤S1的阳极电解液加入到阳极电解液槽中，并将步骤S2的阴极电解液加入到阴极电解液槽中，然后用导管将阳极电解液槽与电池的阳极进出口及阳极泵相连，阴极电解液槽与电池的阴极进出口及阴极泵相连，最后启动构建得到的生物质燃料电池系统即可实现工业木质素的高值化利用。2.根据权利要求1所述的一种工业木质素的高值化利用方法，其特征在于，所述工业木质素为碱木质素、木质素磺酸盐中的一种或两种。3.根据权利要求1所述的一种工业木质素的高值化利用方法，其特征在于，所述三价铁盐包括氯化铁、硫酸铁和硝酸铁中的至少一种。4.根据权利要求1所述的一种工业木质素的高值化利用方法，其特征在于，所述阳极电解液中，所述三价铁盐的浓度为1～4mol/L，所述酸的氢离子浓度为1～4mol/L，所述纳米二氧化钛的含量为...

【专利技术属性】
技术研发人员：俎喜红，张家诚，邱学青，秦延林，张文礼，林绪亮，陈理恒，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：