一种实现木质纤维素分离的装置及工艺

技术领域

本发明属于木质纤维素预处理技术领域，具体涉及一种实现木质纤维素分离的装置及工艺。

背景技术

当今世界，化石资源在能源、材料等领域有举足轻重的地位。人们日常生活中的方方面面，如日常消耗的能源、常用的各种材料等，都需要从化石资源中获取。但化石资源，如石油、煤炭、天然气等，都属于不可再生资源，难以实现持续发展。而且化石资源的使用过程中，会不断产生碳排放，释放温室气体，从而加剧温室效应。近年来，随着各种极端天气不断出现，人们对碳排放问题的重视程度也越来越高，寻找可以替代化石资源的各种清洁资源成为当下研究的热点。在这种情况下，生物质资源越来越受到人们的重视。

目前，生物质资源主要包括两类，一大类即为可食用农作物，例如淀粉、糖等。另一类则主要是非食用作物，也就是木质纤维素，例如能源作物、森林、农业剩余物等。可食用农作物在能源和材料方面的应用会与食品的生产产生原料竞争，从而加剧目前的食品安全问题，所以，越来越多的学者开始将注意力转移到木质纤维素的应用方面。

木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素、木素，这三大主要成分互相紧密结合，形成了复杂且稳定的生物结构，这种结构可以有效地帮助植物抵抗自然界的各种侵蚀，但同时也对木质纤维素的有效应用产生了很大的阻碍。木质纤维素对化学、机械、生物处理均具有一定的抗性。因此，如何通过预处理脱除木质纤维素中的木素和半纤维素，实现纤维素的有效利用是当前研究工作的重点。

目前国内外提出了多种木质纤维素预处理的工艺技术。比较传统的包括化学法、机械法、有机溶剂法、蒸汽爆发法、生物酶处理法等。这些方法在传统的造纸及化工领域都有很广发的应用。此外，在传统技术的基础上，研究者们还开发了大量的新技术。如离子液体处理、低共熔溶剂处理、碱性过氧化氢处理、微生物电化学处理以及微波辅助处理等多种方法。

尽管相关的木质纤维素分离技术已经有了很大的发展，但仍然存在着很多不足之处，例如反应温度高、反应压力大，所使用的化学品价格高昂或安全性差。这些问题都限制了这些技术的进一步发展和应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种实现木质纤维素分离的装置及工艺。本发明反应条件温和，在常温常压下即可实现反应，而且操作相对简易，可控制性强，所使用的化学品相对较为安全，是一种安全清洁的工艺技术。本发明以木质纤维素为原料，在电催化反应装置中通过电化学反应生成活性基团，从而脱除原料中的木素和半纤维素，得到富含纤维素的产品。

本发明中：

O

OOH*+(H

H

木素结构单元苯环在反应过程中会形成各种醌式结构，H

本发明所述的一种实现木质纤维素分离的装置，包括阳极反应槽和阴极反应槽，阳极反应槽内设有阳极电极，阴极反应槽内设有阴极电极，阳极反应槽和阴极反应槽之间通过离子交换膜连接，阳极电极和阴极电极分别与直流电源连接；阴极反应槽内安装有搅拌装置和曝气装置，曝气装置上连通有通气管路，通气管路另一端延伸出阴极反应槽。

本发明所述的离子交换膜为阳离子交换膜，优选Astom、Fumatech、DuPont。

所述的阳极反应槽和阴极反应槽上均设有防尘罩。所述反应槽的容积为0.25～2L。

所述阳极电极包括但不限于钌铱钛电极、铂电极、石墨电极、多孔碳电极等可以实现电子传导并可以电解水的电极；所述的阴极电极包括但不限于石墨毡电极、导电炭黑改性石墨毡电极、导电炭黑涂覆的不锈钢电极、导电炭黑涂覆的泡沫镍电极等可以实现氧分子2电子还原的材料。

本发明所述的实现木质纤维素分离的工艺，采用上述所述的装置，将含木制纤维素的原料通过电催化法脱除原料中的木素和半纤维素，得到富含纤维素的产品。

包括以下步骤：

S1.取绝干原料，切割成片状或磨成粉状，然后与氢氧化钠水溶液I均匀混合，搅拌20～40min，完成原料的预浸渍；预浸渍的目的是使电解液浸入原料中，提高反应效率。

S2.将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽中，同时在阳极反应槽中加入氢氧化钠水溶液II，随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气；该步骤中产生HOO

S3.对阴极反应槽进行加热至料液温度为50～140℃，然后启动直流电源，向阳极电极和阴极电极提供稳定的电流，并在该条件下保温反应；

S4.反应完毕，洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

步骤S1中所述的氢氧化钠水溶液I的质量分数为0.1～10％，原料与氢氧化钠水溶液I的质量之比为1:3～1:50。绝干原料通过风干或者烘干获得。

步骤S2中所述的氢氧化钠水溶液II的质量分数高于步骤S1中所述的氢氧化钠水溶液I的质量分数。在电催化反应中，水电解为氢离子和氢氧根，故阴极槽电解液碱浓上升，阳极槽pH基本不变，最终使两槽碱浓达到平衡；氢氧化钠水溶液II的质量分数为2％～20％。

阳极反应槽中加入的氢氧化钠水溶液II的质量等于阴极反应槽中反应混合物的质量，即氢氧化钠水溶液II的质量＝氢氧化钠水溶液I的质量+绝干原料的质量。

步骤S2中所述的氧气的流量为40～500mL/min。

步骤S3中反应的时间为1～8h；所述的稳定电流为0.2～20A。

本发明所述的含木质纤维素的原料，包括木材及草类原料，木材主要有落叶松、马尾松、杨树、桉树、桦树和椴树等；非木材纤维原料有竹类、草类(稻草、麦草、芦苇、蔗渣等)，韧皮纤维类(麻皮、桑皮、檀皮等)和棉花纤维类(棉短绒等)。

本发明与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、与传统制浆相比，本发明可以在较低温度(50～140℃)和常压下进行；2、在电极上发生电子转移，能量效率高，不需要添加催化剂；3、反应装置简单，工艺灵活，可控制性强。

附图说明

图1为发明所述装置的结构示意图；

图中：1-阳极反应槽；2-阴极反应槽；3-阳极电极；4-阴极电极；5-搅拌装置；6-曝气装置；7-离子交换膜；8-直流电源；9-防尘罩。

具体实施方式

实施例1

一种实现木质纤维素分离的装置，该装置包括阳极反应槽1和阴极反应槽2，阳极反应槽内设有阳极电极3，阴极反应槽2内设有阴极电极4，阳极反应槽1和阴极反应槽2之间通过离子交换膜7连接，阳极电极3和阴极电极4分别与直流电源8连接；阴极反应槽2内安装有搅拌装置5和曝气装置6，曝气装置6上连通有通气管路，通气管路另一端延伸出阴极反应槽2。

所述的阳极反应槽1和阴极反应槽2上均设有防尘罩9。

所述阳极电极包括但不限于钌铱钛电极、铂电极、石墨电极、多孔碳电极；所述的阴极电极包括但不限于石墨毡电极、导电炭黑改性石墨毡电极、导电炭黑涂覆的不锈钢电极、导电炭黑涂覆的泡沫镍电极。

实施例2

将麦秆自然风干，取绝干质量24g麦秆，切割成片状，然后将麦秆与600g质量分数0.1％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌30min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积1L)中，同时在阳极反应槽中加入624g质量分数4.5％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为40mL/min。

利用水浴对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至100℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供1.5A，并在该条件下保温反应2h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

所述阳极电极选用玻碳电极，所述的阴极电极选用石墨毡电极，所述的离子交换膜选用Astom阳离子交换膜。

所得产品数据如表1所示。

表1实施例2所得产品数据

实施例3

将玉米秸秆自然风干，取绝干质量15g玉米秸秆，磨成粉状，然后将玉米秸秆与150g质量分数0.5％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌20min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积0.25L)中，同时在阳极反应槽中加入165g质量分数9.5％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为160mL/min。

利用水浴或加热套对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至50℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供0.2A，并在该条件下保温反应8h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

通过该方法得到的产品，得率为59.66％，其中的木素含量为9.23％，脱木素率为71.89％，灰分脱除率为99.4％。

所述阳极电极选用金属铂电极，所述的阴极电极选用导电炭黑改性石墨毡电极，所述的离子交换膜选用DuPont。

所得产品数据如表2所示。

表2实施例3所得产品数据

实施例4

将生姜秸秆在烘箱中烘干，取绝干质量24g生姜秸秆，切割成片状，然后将生姜秸秆与1200g质量分数3％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌40min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积2L)中，同时在阳极反应槽(容积2L)中加入1224g质量分数7％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为500mL/min。

利用水浴或加热套对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至95℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供3A，并在该条件下保温反应1h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

通过该方法得到的浆料，得率为74.15％，其中的木素含量为13.83％，脱木素率为53.41％,灰分脱除率为90.27％。

所述阳极电极选用碳棒，所述的阴极电极选用导电炭黑涂覆的不锈钢电极，所述的离子交换膜选用Fumatech阳离子交换膜。

所得产品数据如表3所示。

表3实施例4所得产品数据

实施例5

将水稻秸秆自然风干，取绝干质量20g水稻秸秆，磨成粉状，然后将水稻秸秆与300g质量分数1％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌35min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积0.5L)中，同时在阳极反应槽中加入320g质量分数2％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为100mL/min。

利用水浴或加热套对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至65℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供0.5A，并在该条件下保温反应6h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

所述阳极电极选用金属钛电极，所述的阴极电极选用导电炭黑涂覆的泡沫镍电极，所述的离子交换膜选用CMI7000阳离子交换膜。

所得产品数据如表4所示。

表4实施例5所得产品数据

实施例6

将海水稻秸秆自然风干，取绝干质量22.5g海水稻秸秆，切割成片状，然后将海水稻秸秆与900g质量分数5％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌25min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积1.5L)中，同时在阳极反应槽中加入922.5g质量分数20％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为400mL/min。

利用水浴或加热套对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至140℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供2A，并在该条件下保温反应4h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

所述阳极电极选用铜丝，所述的阴极电极选用导电炭黑涂覆的钛网电极，所述的离子交换膜选用Nafion全氟化膜。

所得产品数据如表5所示。

表5实施例6所得产品数据

实施例7

将杨木自然风干，取绝干质量25g的杨木，磨成粉状，然后将杨木木粉与450g质量分数7％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌35min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积1.75L)中，同时在阳极反应槽中加入475g质量分数12％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为340mL/min。

利用水浴或加热套对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至135℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供2.5A，并在该条件下保温反应3h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

所述阳极电极选用金属银电极，所述的阴极电极选用石墨涂覆的石墨毡电极，所述的离子交换膜选用ASTOM阳离子交换膜。

所得产品数据如表6所示。

表6实施例7所得产品数据

实施例8

将桉木自然风干，取绝干质量25g桉木原料，切割成片状，然后将桉木木片与750g质量分数9％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌20min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积1.25L)中，同时在阳极反应槽中加入775g质量分数17％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为220mL/min。

利用水浴或加热套对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至120℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供0.3A，并在该条件下保温反应7h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

所述阳极电极选用铂碳电极，所述的阴极电极选用石墨涂覆的泡沫镍电极，所述的离子交换膜选用Nafion全氟化膜。

所得产品数据如表7所示。

表7实施例8所得产品数据

实施例9

将芦苇原料自然风干，取绝干质量30g芦苇原料，切割成片状，然后将海水稻秸秆与1150g质量分数10％的稀氢氧化钠溶液均匀混合，搅拌40min，完成原料的预浸渍。

将预浸渍过后的混合液转移至电催化反应装置的阴极反应槽(容积0.75L)中，同时在阳极反应槽中加入1180g质量分数14.5％浓氢氧化钠溶液。随后启动阴极反应槽中的搅拌装置，同时通过曝气装置向阴极反应槽中通入氧气，氧气的流量为280mL/min。

利用水浴或加热套对阴极反应槽进行加热，将反应槽中的料液加热至80℃，然后启动直流电源，向阳极和阴极提供1A，并在该条件下保温反应5h。达到保温时间后，停止反应，对反应后所得的产物进行洗涤、过滤，得到富含纤维素的产品。

所述阳极电极选用铂丝电极，所述的阴极电极选用氮掺杂的碳黑涂覆石墨毡电极，所述的离子交换膜选用DuPont阳离子交换膜。

所得产品数据如表8所示。

表8实施例9所得产品数据