一种从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种从生物质原料中提取纤维素的方法，具体地说是一种从生物质原料中提取纤维素并联产生物碳的方法。本发明专利技术所述的方法在过氧化氢的催化作用下，通过甲酸、乙酸形成的有机酸液蒸煮生物质原料，对进行酸洗、水洗、漂白等工艺得到纤维素，并利用生产纤维素过程中产生的黑液，生产生物碳。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种从生物质原料中提取纤维素的方法，具体地说是一种从生物质原料中提取纤维素，并利用提取纤维素过程中产生的黑液制备生物碳的方法。
技术介绍
以植物体的形式存在的生物质原料，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素占40%左右，半纤维素占25%左右，木质素占20%左右，地球上每年由光合作用生成的植物生物质原料总量超过2000亿吨，因此植物生物质原料是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。纤维素是植物细胞壁的主要成分。全世界用于纺织造纸的纤维素，每年达800万吨。此外，用分离纯化的纤维素做原料，可以制造人造丝，赛璐玢以及硝酸酯、醋酸酯等酯类衍生物和甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素钠等醚类衍生物，用于石油钻井、食品、陶瓷釉料、日化、合成洗涤、石墨制品、铅笔制造、电池、涂料、建筑建材、装饰、蚊香、烟草、造纸、橡胶、农业、胶粘剂、塑料、炸药、电工及科研器材等方面。由于社会的快速发展，人民生活水平不断提高，社会资源的消耗增长已远远大于资源的自然增长速度，不能满足社会持续发展的需要，特别是纺织业粘胶、纤维素醚以及硝化生产领域所用原材料资源已经匮乏。在现有化学溶解浆中，主要是棉短绒、针叶木、阔叶木为主要原料的棉木溶解浆，但由于棉花种植面积的逐年减少，棉短绒产量也逐年降低，而针、阔木等资源，也因生态、环保等因素，采伐量大幅减少；因此，研发制备溶解浆的新型原料及其生产技术，拓展纤维使用行业的原材料的选择范围，对社会的持续发展有着积极的意义。中国专利CN1170031C公开了一种用甲酸和乙酸的混合物作为蒸煮化学剂生产纸浆的方法。该专利在以甲酸蒸煮草本植物和阔叶树生产纸浆时，添加乙酸作为附加的蒸煮化学剂，即可得到含有半纤维素和纤维素的纸浆，并且使用过的蒸煮液蒸馏出甲酸和乙酸的混合酸液进行循环利用。该方法的蒸煮化学剂的再生是用蒸发和蒸馏完成的，得到的混合酸返回用于蒸煮，但并没有提及固形物的处理方法，该文献中固形物中含有大量的木质素和半纤维素及木糖，如果直接丢弃势必造成大量的浪费；且该文献记载的方法主要是为了得到含有半纤维素和纤维素的纸浆，如果想要得到高纯度的纤维素，采用上述方法得到的固形物中将会进一步含有更多的半纤维素，带来更多的资源浪费。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的第一个技术问题是现有技术中从生物质原料中提取纤维素的过程中剩余的大量木质素和半纤维素不能得到有效利用的问题。本专利技术所要解决的第二个技术问题在于提供一条通过设计合理的工艺过程和工艺参数，从而能够从生物质原料中提取到高纯度的纤维素的方法。为解决上述技术问题，本专利技术所述的从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺，包括如下步骤(I)将生物质原料粉碎后，在过氧化氢的催化作用下，使用由甲酸、乙酸形成的有机酸液对所述生物质原料进行蒸煮，控制蒸煮温度90-155°C，反应时间10-60min，固液质量比为1:5-1 :20，并将得到的反应液进行第一次固液分离；所述有机酸液中，总酸浓60-95wt%，所述乙酸与甲酸的质量比为1:1-1 :19，余量为水；过氧化氢占生物质原料的l-8wt% ；(2)收集所述第一次固液分离得到的固体，在过氧化氢的催化作用下，使用由甲酸、乙酸组成的混合酸液对所述固体进行酸洗，控制酸洗温度20-100°C，固液质量比为1:4-1:20，并将得到的反应液进行第二次固液分离；所述混合酸液中，总酸浓60-95wt%，所述乙酸与甲酸的质量比为1:1-1 :19，余量为水；过氧化氢占生物质原料的l_8wt% ；(3)收集所述第二次固液分离得到的固体，并进行水洗，控制水洗温度为25-90°C，浆浓为l_10wt%，并将得到的水洗浆进行第三次固液分离；(4)收集所述第三次固液分离得到的固体并进行筛选得到所需的细浆纤维素、再经漂白后得到纤维素；(5)收集第一次固液分离和第二次固液分离得到的液体，进行脱水碳化反应，将脱水碳化反应后的溶液进行第四次固液分离，得到的固体为生物碳。在上述从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺中，所述脱水碳化反应的反应温度为120-220°C，时间30-300min。优选地，所述脱水碳化反应的反应温度为140-190°C，时间90-180min。在上述生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺中，所述漂白包括如下步骤碱处理，所述碱用量占所述细浆纤维素的2wt%_5wt%，温度为70-100°C，抽提时间l_4h，浆浓 5-15wt% ；螯合剂预处理，所述螯合剂的用量占所述细浆纤维素的l_3wt%，pH值控制在2-4之间，温度50-80°C，时间l_4h，浆浓3wt%-5wt% ；碱性过氧化氢漂白，过氧化氢的用量占所述细浆纤维素的3_10wt%，pH值控制在10-12之间，温度70-100°C，漂白时间2-5h,浆浓5_14wt% ;和酸处理，所述酸的用量占所述细浆纤维素的l_6wt%，pH值控制在2-4之间，温度30-550C，时间 l_4h，浆浓 3-6wt%。优选地，所述碱处理的步骤中，所述碱用量占所述细浆纤维素的2_3wt%，温度为80-95°C，抽提时间1-2. 5h，浆浓6wt%-10wt% ;所述螯合剂预处理的步骤中，所述螯合剂的质量占所述细浆纤维素的l_2wt%，温度50-65°C，时间l_2h;所述碱性过氧化氢漂白的步骤中，过氧化氢的质量占所述细浆纤维素的3-6wt%，温度80-95°C，漂白时间2-3h,浆浓5-10wt%;和所述酸处理的步骤中，温度35-45°C，时间1. 5_3h。优选地，所述从生物质原料中提取纤维素的工艺步骤还包括，收集所述第三次固液分离得到的液体，进行水、酸精馏，得到的混合酸液作为蒸煮液回用于所述步骤(I)，得到的水作用水洗用水回用于步骤(3)。优选地，所述步骤⑴中，固液质量比为1:6-1 :10，反应温度125_145°C，反应时间20-40min;总酸浓75_95wt%，乙酸与甲酸的质量比为1:1_1 :8，加入过氧化氢的质量占生物质原料质量的l_6wt%。优选地，所述步骤(2)中所述混合酸液与步骤(I)中所述有机酸液相同。优选地，所述步骤⑵的酸洗温度为30_90°C，固液质量比为1:8-1 :10。优选地，所述步骤(3)的水洗温度为60_90°C，浆浓为4_6wt%。优选地，所述步骤(3)的水洗过程为逆流水洗过程。上述从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺中，所述纤维素为溶解浆和/或工业纤维素。所述生物质原料是芦苇、豆秸杆、小麦秸杆、稻草、玉米秸杆、瓜子壳、竹片、瓜子杆 等木类或草类原料中的一种或几种。本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点1、本专利技术通过设计合理的工艺参数，使得整个工艺路线不仅适用于木类原料，还适用于草类原料，得到的纤维素纯度高，其中α -纤维素的含量在90wt%以上。2、本专利技术的蒸煮过程在密闭的反应容器中进行，由于甲酸、乙酸和过氧化氢的部分蒸发，使得容器中具有一定的压力，从而缩短了原料的蒸煮时间，减少了对纤维素的破坏。3、本专利技术所述的工艺选用甲酸、乙酸和过氧化氢共同蒸煮生物质原料，甲酸作为一种强有机酸，催作降解原料中的木质素，由于单独使用甲酸会破坏纤维素中的α -纤维素，所以加入适量的乙酸不仅保护了 α-纤维素不被破坏，而且利用甲酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺，其特征在于，包括如下步骤：(1)将生物质原料粉碎后，在过氧化氢的催化作用下，使用由甲酸、乙酸形成的有机酸液对所述生物质原料进行蒸煮，控制蒸煮温度90?155℃，反应时间10?60min，固液质量比为1：5?1：20，并将得到的反应液进行第一次固液分离；所述有机酸液中，总酸浓60?95wt%，所述乙酸与甲酸的质量比为1：1?1：19，余量为水；过氧化氢占生物质原料的1?8wt%；(2)收集所述第一次固液分离得到的固体，在过氧化氢的催化作用下，使用由甲酸、乙酸组成的混合酸液对所述固体进行酸洗，控制酸洗温度20?100℃，固液质量比为1：4?1：20，并将得到的反应液进行第二次固液分离；所述混合酸液中，总酸浓60?95wt%，所述乙酸与甲酸的质量比为1：1?1：19，余量为水；过氧化氢占生物质原料的1?8wt%；(3)收集所述第二次固液分离得到的固体，并进行水洗，控制水洗温度为25?90℃，浆浓为1?10wt%，并将得到的水洗浆进行第三次固液分离；(4)收集所述第三次固液分离得到的固体并进行筛选得到所需的细浆纤维素、再经漂白后得到纤维素；(5)收集第一次固液分离和第二次固液分离得到的液体，进行脱水碳化反应，将脱水碳化反应后的溶液进行第四次固液分离，得到的固体为生物碳。...

【技术特征摘要】
1.一种从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺，其特征在于，包括如下步骤 (1)将生物质原料粉碎后，在过氧化氢的催化作用下，使用由甲酸、乙酸形成的有机酸液对所述生物质原料进行蒸煮，控制蒸煮温度90-155°C，反应时间10-60min，固液质量比为1:5-1 :20,并将得到的反应液进行第一次固液分离； 所述有机酸液中，总酸浓60-95wt%，所述乙酸与甲酸的质量比为1:1-1 :19，余量为水； 过氧化氢占生物质原料的l_8wt% ； (2)收集所述第一次固液分离得到的固体，在过氧化氢的催化作用下，使用由甲酸、乙酸组成的混合酸液对所述固体进行酸洗，控制酸洗温度20-100°C，固液质量比为1:4-1 20，并将得到的反应液进行第二次固液分离； 所述混合酸液中，总酸浓60-95wt%，所述乙酸与甲酸的质量比为1:1-1 :19，余量为水； 过氧化氢占生物质原料的l_8wt% ； (3)收集所述第二次固液分离得到的固体，并进行水洗，控制水洗温度为25-90°C，浆浓为l_10wt%，并将得到的水洗浆进行第三次固液分离； (4)收集所述第三次固液分离得到的固体并进行筛选得到所需的细浆纤维素、再经漂白后得到纤维素； (5)收集第一次固液分离和第二次固液分离得到的液体，进行脱水碳化反应，将脱水碳化反应后的溶液进行第四次固液分离，得到的固体为生物碳。2.根据权利要求1所述的从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺，其特征在于 所述脱水碳化反应的反应温度为120-220°C，时间30-300min。3.根据权利要求2所述的从生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺，其特征在于 所述脱水碳化反应的反应温度为140-190°C，时间90-180min。4.根据权利要求1-3任一所述的生物质原料中提取纤维素并制备生物碳的工艺，其特征在于，所述漂白包括如下步骤 碱处理，所述碱用量占所述细浆纤维素的2wt%-5wt%，温度为70-100°C，抽提时间l_4h，浆浓 5-15wt% ； 螯合剂预处理，所述螯合剂的用量占所述细浆纤维素的l_3wt%，pH值控制在2-4之间，温度 50-80°C，时间 l_4h，浆浓 3wt%-5wt% ； 碱性过氧化氢漂白，过氧化氢的用量占所述细浆纤维素的3-10wt%，pH值控制在10-12之间，温度70-100°C，漂白时间2...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一林，江成真，高绍丰，刘洁，孙智华，
申请(专利权)人：济南圣泉集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：