纤维生物质加压液化定向制备酚类化合物的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物质能源利用领域，主要涉及生物质加压液化制备酚类化合物的方 法。
【背景技术】
[0002] 生物质能源是一种丰富的可再生能源，通过将生物质能源进行高效、合理的利用 不但可以缓解社会对化石燃料的需求压力，而且可以保护环境，减少有害气体的排放。生物 质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。目前，纤维素和半纤维素的利用主要是 通过催化转化或者生物发酵等方法，分别获得乙醇等低碳醇类化合物和羟甲基糠醛等呋喃 类化合物；由于木质素大分子结构特性的制约，其合理利用还存在一些困难。木质素占整个 生物质组分的15~30%，但是热值却占40%左右，是富含芳烃最多的可再生资源之一，也 是唯一可提供可再生芳基化合物的非石油资源。
[0003] 近年来，由于其特殊的化学结构和潜在的利用价值，木质素的高值化利用或者催 化降解成酚类化合物逐渐成了研宄热点。木质素是生物质三种主要成分之一，它是由不同 苯丙和苯酚结构单元键合而成的。正是由于这种特殊的结构，木质素可以转化为酚类化合 物，而酚类化合物可以进一步转化为醇类和烃类，这对于木质素大规模利用是一条非常有 前景的利用途径，但是目前还没有合适的分离手段能将木质素降解形成的酚类化合物实现 高效地分离。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种纤维生物质加压液化定向制备酚类化合物的方法。
[0005] 技术方案：纤维生物质加压液化定向制备酚类化合物的方法，包括以下步骤：
[0006] 第一步，加压液化反应：将干燥至绝干重的纤维生物质、低碳醇和酸性催化剂加入 到高压釜中，密封高压釜，并用氮气置换釜内的空气，高压釜在160~240°C、压力为3~ 7MPa条件下液化醇解反应10~60min，转速为400r/min，反应结束后通冷却水，5min内降 至室温；
[0007] 第二步，定向萃取分离操作：将第一步得到的直接加压液化产物过滤得到残渣和 滤液，残渣经过烘干至恒重后称重；滤液用NaOH溶液中和，然后将蒸馏水加入到中和液中， 然后高速离心分离液体，得到一部分不溶于水-甲醇体系的较大分量酚类化合物Fraction 1# ;将较大分子量的酚类化合物Fraction 1#在真空干燥箱中干燥至恒重；剩下的液体继 续旋转蒸发、回收甲醇后，得到一部分不溶于水的酚类化合物Fraction 2#，也在真空干燥 箱中干燥至恒重；剩下的水溶相加入有机溶剂萃取剂萃取，分层后，将有机溶剂相倒出，旋 转蒸发、回收有机溶剂，即得到小分子量的酚类化合物Fraction 3#。
[0008] 所述低碳醇为甲醇、乙醇或丙三醇中的任意一种。
[0009] 所述酸性催化剂为硫酸、磷酸、氨基磺酸或甲苯磺酸的任意一种。
[0010] 所述的高速离心分离滤液的条件为5000r/min，lOmin。
[0011] 所述的有机溶剂萃取剂为四氯化碳、二氧六环、乙酸乙酯、环己烷、石油醚和二氯 化碳的任意一种。
[0012] 所述的纤维生物质包括竹材、杨木、松木和桉木中的任意一种。
[0013] 第一步中所述的纤维生物质：低碳醇：酸性催化剂的质量比为1:6至10:0. 01~ 0. 04。
[0014] 有益效果
[0015] 1.生物质的加压液化实验，选用低碳醇甲醇作为溶剂，利用其在近临界状态下具 有较高反应活性，可提高液体产物收率，溶剂回收操作简单；酸性催化剂优选硫酸，价格低 廉、具有较强的酸性，能够提高生物质的转化率。
[0016] 2.本发明的方法中使用蒸馏水和有机溶剂的萃取方法，酚类化合物可以经过进一 步的提质、加氢和脱氧处理，得到高热值、高稳定性的富烃燃油。3种不同分子量的酚类化合 物的GC-MS分析结果显示，其酚类物质的含量大于75%以上；所述的3种酚类化合物通过 GPC分析，Mn均在100~800之间，Mw均在400~2000之间。
[0017] 3.通过采用有机溶剂作为萃取剂，获得高纯度的酚类化合物，方法操作简单，有机 溶剂用量少、回收和再利用容易。
【附图说明】：
[0018] 图1基于生物质的木质素加压液化与定向制备酚类化合物的工艺流程图。
[0019] 图2液化产物逐步分级分离得到的3种不同酚类化合物的GC-MS谱图。
[0020] 图3液化产物逐步分级分离得到的3种不同酚类化合物的GPC谱图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不构成对本 发明要求保护范围的限定。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或者 条件所做的修改和替换，均属于本发明的范围。
[0022] 若未特别说明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0023] 下述实施例中所用的竹材等纤维生物质使用前需在105°C下干燥8h以上至恒重 即为绝干重。
[0024] 纤维生物质加压液化定向制备酚类化合物的方法，包括以下步骤：
[0025] 第一步，加压液化反应：将木质素含量较高的生物质原料、低碳醇和酸性催化剂 加入到高压釜中，密封反应釜，并用氮气置换釜内的空气，高压釜在160~240°C条件（压 力为3~7MPa)下液化醇解反应10~60min，转速为400r/min，反应结束后通冷却水，在 1~5min内降至室温；其中生物质原料：低碳醇：酸性催化剂的质量比为1:6~10:0. 01~ 〇. 04 ;所述低碳醇的分子结构中碳原子和羟基的数量均为1~3 ;所述的纤维生物质为竹 材、杨木、松木和桉木中的任意一种。
[0026] 第二步，定向萃取分离操作：将直接加压液化产物过滤得到残渣和滤液。残渣经过 烘干至恒重后称重；滤液用NaOH溶液中和，然后将一定质量的蒸馏水加入到中和液，蒸馏 水与液化产物质量比为1:2,然后高速离心分离液体，得到一部分不溶于水-甲醇体系的较 大分量酚类化合物（Fraction 1#);将较大分子量的酚类化合物在真空干燥箱中干燥至恒 重。剩下的液体继续旋转蒸发、回收甲醇后，得到一部分不溶于水的酚类化合物（Fraction 2#)，此类化合物也在真空干燥箱中干燥至恒重；剩下的水溶相加入一定质量的有机溶剂萃 取剂，萃取剂与水溶相质量比为〇. 5~2:1，此时会产生分层现象。将有机溶剂相倒出，旋转 蒸发、回收有机溶剂，即得到小分子量的酚类化合物（Fraction 3#)。
[0027] 所述低碳醇为甲醇、乙醇和丙三醇中的任意一种。
[0028] 所述酸性催化剂为硫酸、磷酸、氨基磺酸和甲苯磺酸的任意一种。
[0029] 所述的真空旋转蒸发可通过在40~60°C，压力为-0. 09MPa下减压旋转蒸发，将溶 剂分离并回收；所述的高速离心分离滤液的条件为5000r/min (IOmin)。
[0030] 所述的有机溶剂萃取剂为乙酸乙醋、四氯化碳、二氧六环、石油醚和环己烷的任意 一种。
[0031] 本发明对逐步分级分离得到的3种酚类化合物的结构进行了研宄，采用的仪器是 气相-质谱仪（GC-MS)和凝胶色谱仪（GPC)。GC-MS的检测方法：色谱柱HP-5,色谱条件： 30°C (保温5min)，升温速率5°C /min，230°C (保温15min)。GPC以THF为流动相，PSt微 球为固定相。
[0032] 3种酚类化合物通过GC-MS分析，其中含还有大量的酚类化合物，3种酚类化合物 通过GPC分析，3种酚类化合物的数均分子量Mn分别是711，273和130, 3种酚类化合物的 重均分子量Mw分别是1655,1097和398。
[0033] 实例中基于生物质的木质素加压液化后逐级分离得到的3种酚类化合物经过 GC-MS和GPC进行定性定量分析。
[0034] 纤维生物质加压液化定向制备酚类化合物的方法，包括以下步骤：
[0035] 第一步，加压液化反应：将木质素含量较高的生物质原料、低碳醇和酸性催化剂加 入到高压釜中，密封反应釜，并用氮气置换釜内的空气，高压釜在160~240°C条件下液化 醇解反应10~60min，压力为3~7MPa，转速为400r/min，反应结束后通冷却水，在1~ 5min内降至室温；其中生物质原料：低碳醇：酸性催化剂的质量比为1:6