一种从竹材中分离提取纤维素和木质素的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物质预处理及组分分离技术，尤其是一种从竹材中分离提取木质素和半纤维素的方法。
【背景技术】
[0002]由于具有安全、绿色、可再生等优点，生物质被认为是一种最佳的替代能源。纤维素和半纤维素和木质素是自然界中广泛存在、储量最丰富的生物质高分子。纤维素是由葡萄糖分子通过糖苷键连接而形成的葡聚糖，由于具有无污染、生物相容性好、易降解等优点，广泛应用与防治、轻工、化工、医药和能源等部门。木质素是由丙烷单元构成的天然芳香族高分子，可广泛应用于合成树脂、表面活性剂等领域。纤维素和木质素的分离和高值化技术逐渐得到了广泛的关注。
[0003]天然的木质纤维素的结构复杂，纤维素分子链内存在分子内和分子间的氢键，并以多层的空间结构形成了高结晶性的纤维素结晶结构，同时木质素通过阿魏酸或对香豆酸与半纤维素侧链阿拉伯糖0-5位连接形成木质素-阿魏酸(对香豆酸)-半纤维素特殊的桥式交联结构，而木质素与纤维素之间以范德华力或氢键结合。因此，组分的分离需要同时实现预处理对不同组分之间的选择性作用和对三种组分之间连接的有效打断。
[0004]相比于传统的用有机溶剂或强酸强碱溶液来预处理生物质，离子液体具有绿色无污染、可重复使用等优势。作为常用的预处理生物质的离子液体，咪唑类离子液体因其较好的稳定性和较优的溶解工艺条件，得到了广泛的应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用基于离子液体的溶剂体系预处理生物质来分离提取竹材中纤维素和木质素的方法，该方法所需设备简单、工艺简便、处理时间短、条件温和，且不会造成附加环境危害，实现了竹材茎杆的高效预处理，提高了生物质资源利用的效率，为后续的高值化利用提供了一定的便利。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0007 ] 一种从竹材中分离提取纤维素和木质素的方法，包括如下步骤:
[0008]I)将竹材粉末和离子液体混合溶剂加入高压反应釜中，竹材粉末与混合溶剂的用量比为lg/ml-lg/30ml;向反应釜中通入惰性气体置换空气，控制反应温度120-180°C，反应4-10个小时;所述离子液体混合溶剂由1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、乙醇和水混合而成；
[0009]2)取出反应产物，减压抽滤，并用乙醇洗涤残渣，洗净后的残渣即为再生纤维素；对抽滤所得滤液进行旋转蒸发得到浓缩液，并回收乙醇;浓缩液中加入适量去离子水，静置得到含有沉淀物的混合液；
[0010]3)对上述混合液进行离心，然后固液分离，所得固相先后用乙醇和去离子水洗涤，洗净即为再生木质素。
[0011 ]步骤3)所述固液分离后所得液相产物经减压蒸馏回收离子液体。
[0012]所述减压蒸馏是采用旋转蒸发仪在40_100°C水浴条件下进行的。
[0013]所述离子液体混合溶剂中1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AmimCl)、乙醇和水的体积比为 1-4:2-8:0.7-0.8。
[0014]所述离子液体混合溶剂的制备:将混合后的溶剂在10_50°C下于恒温摇床处理1-10小时，形成均匀透明的溶液。
[0015]所述竹材粉末是将竹子茎杆粉碎后筛选出20-80目的粉末。
[0016]步骤2)所述浓缩液与去离子水的体积比为1:5-1:15。
[0017]步骤2)所述洗净后的残渣于55_100°C烘干6-10小时后即得再生纤维素。
[0018]步骤3)所述离心的转速为4000-10000rpm/min，时间为10_30min。
[0019]步骤3)所得固相洗净后于45_100°C烘干6-10小时后即得再生木质素。
[0020]与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下:
[0021]I)采用了基于离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AM頂Cl)的溶剂体系来预处理竹材，体系中的离子液体和乙醇可以通过旋转蒸发来回收重复使用，降低了预处理过程的试剂成本，同时也避免了对环境的污染，方法具有很好经济性和环保性。
[0022]2)本发明采用可循环使用的咪唑类离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AmimCl)与乙醇和水组成的绿色环保的溶剂体系对抽提后的竹粉进行预处理，通过打断纤维素、半纤维素和木质素之间的交联结构以及对溶剂体系中各组分的比例的调节，使体系选择性地溶解木质素、降解半纤维素和保留纤维素，整个处理工艺各阶段得到的产物的分离效率高和结构完整性好。本发明可以有效提取出竹类中92-97%的纤维素以及63-72%的木质素，两种产品的纯度均在90 %以上。
[0023]3)该方法所需设备简单、工艺简便、处理时间短、条件温和且不会造成附加的环境危害，实现了对各类竹材的高效预处理和组分分离，提高了生物质资源利用效率并降低了试剂成本，解决了竹材利用中除纤维素外其他组分利用程度低的难题。
【附图说明】
[0024]图1为本发明方法实施例2制备的纤维素产品的红外谱图。
[0025]图2为本发明方法实施例2制备的木质素产品的红外谱图。
[0026]图3为本发明方法实施例2制备的纤维素产品的X射线衍射(XRD)谱图。
[0027]图4为本发明方法实施例2制备的木质素产品的1H-NMR核磁共振氢谱。
[0028]图5为本发明方法实施例2制备的木质素产品的TG-DTG谱图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
[0030]在以下实施例中，所述溶剂体系是由离子液体1-烯丙基-3 -甲基咪唑氯盐(AMIMCl)、乙醇和水以3:7:0.4的体积比混合而成，混合后的溶剂在30°C下在恒温摇床震荡器中处理I小时后得到的均匀溶液。
[0031]实施例1
[0032]1.—种从竹子中提取分离纤维素和木质素的方法，具体步骤如下:
[0033]I)将毛竹茎杆粉碎后筛选出40-60目的粉末，在真空干燥箱中于80土 5°C、0.0lMpa条件下烘干；
[0034]2)向高压反应釜中先后加入1g竹子粉末和10ml离子液体混合溶剂，适当摇动使固液两相混合均匀；
[0035]3)启动高压反应釜，打开通气阀门，通入氮气置换空气，重复三次，关闭通气阀门。控制反应温度160°C，反应6个小时；
[0036]4)反应完后待反应物冷却至室温后取出反应产物，采用布氏漏斗进行减压抽滤，并用乙醇洗涤残渣，洗净后的残渣再真空干燥箱中60 ± 5°C、0.0 IMpa条件下烘干6小时后得到目标产品，即为再生纤维素；
[0037]5)对抽滤得到的滤液于60±5°C、0.02Mpa进行旋转蒸发得到浓缩液，并回收乙醇；
[0038]6)所得96ml ±2ml浓缩液中加入500ml去离子水，静置12小时，得到含有沉淀物的混合液；
[0039]7)对上述混合液以4000rpm/min转速离心1min，然后用布氏漏斗进行减压过滤分离；
[0040]8)先后用乙醇和去离子水洗涤固液分离后所得固相，洗净后于50±5°C烘干得到目标产品，即为再生木质素。
[0041]9)固液分离后所得液相产物经旋转蒸发仪在80°C、0.02Mpa水浴条件下减压蒸馏得到浓缩液，即为回收的离子液体，重复循环使用。
[0042]检测结果表明:毛竹茎杆经过离子液体溶剂体系的预处理和后续的提取分离，所得纤维素的得率为94 % ± 2 %，纯度为95 % ± I %，木质素的得率为67 % ± 4%，纯度为93 土2%，所述纤维素得率为再生的纤维素质量与竹材茎杆中纤维素的质量比值，所述木质素得率为再生的纤维素质量与竹材茎杆中木质素的质量比值。离子液体经旋转蒸发仪在80°C、
0.02Mpa水浴条件下减压蒸馏回收，回收率为96% ±1%。实验中用于洗涤残渣然的乙醇通过旋转蒸发仪于60 ± 5°C、0.02Mpa水浴条件下减压蒸馏回收，回收率为98 % ± I %。
[0043]实施例2
[0044]1.—种从竹子中先后提取分离纤维素和木质素的方法，步骤如下:
[0045]I)将方竹茎杆粉碎后筛选出40-60目的粉末，在真空干燥箱中于80土 5°C、0.0lMpa条件下烘干；
[0046]2)向高压反应釜中先后加入50g竹子粉末和500ml离子液体混合溶剂，适当摇动使固液两相混合均匀；
[0047]3)启动高压反应釜，打开通气阀门，通入氮气置换空气，重复三次，关闭通气阀门。控制反应温度160°