CN101736646B - 芦苇或秸秆纤维素浆粕的制备方法 - Google Patents
芦苇或秸秆纤维素浆粕的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于化学纤维技术领域，特别涉及一种芦苇或秸秆等纤维素浆粕的制备方法。本发明的方法是先将芦苇或秸秆原料放入蒸汽爆破处理设备中进行汽爆处理，将经过蒸汽爆破处理后的芦苇或秸秆等原料水洗后浸泡在有机溶剂中进行处理，以完成纤维素制浆工艺。本发明所采用的技术具有缩短工艺流程，节能、环保(有机溶剂可以通过蒸馏回收再次利用)，有利于清洁生产和环境保护的明显优点。
Description
技术领域
本发明属于化学纤维技术领域，特别涉及一种芦苇或秸秆等纤维素浆粕的制备方法，它是采用蒸汽爆破预处理，再用有机溶剂处理芦苇或秸秆等植物纤维原料。
背景技术
现阶段再生纤维素纤维大都以棉浆、木浆、竹浆为原料，经粘胶法或溶剂法制备而成。但随着林木资源的日益紧缺、耕地面积的减少以及竹浆需要三年才可以使用的限制，寻找开发新的原材料来制成纤维素浆粕就成为当务之急。
芦苇在我国北方分布广泛，是一种自然生长的高产植物。同时，我国是农业大国，具有可观的农作物秸秆资源，因此，充分利用芦苇、秸秆等资源，对于做好我国廉价资源的合理开发与综合利用工作，对解决“三农问题”，改善农村生态环境，提高资源利用率，实现能源多元化，保障国家能源安全等方面具有重要的意义，同时对于一个资源贫乏的国家来说也是势在必行的。
芦苇的化学成分中含有纤维素48～54％、木质素约18.2％、戊聚糖约12.4％、灰分约2.8％；秸秆中含有纤维素含量约40～50％；蔗渣中含有水分45～50％，糖分1～4％，纤维45～52％，可溶性固体物1.5～6％；麦草中含有纤维素36.5％，戊聚糖20.6％，木质素17.6％，蜡状物质.6％，灰分5.8％，它们的纤维素含量与3年生的毛竹纤维素含量相当。过去芦苇、秸秆的应用主要局限于造纸工业，如果我们能够利用芦苇、秸秆等资源来制备纤维素浆粕，则不但原料充足，价格低廉，还可弥补木浆、棉浆、竹浆的供应不足及价格高的缺陷。因此开发一种经济环保的制备芦苇、秸秆等纤维素浆粕的方法就成了每一个化学纤维科研工作者的课题。
传统的制备纤维素浆粕的方法可以参考中国专利CN1308160A公开的“利用竹材生产粘胶纤维浆粕的工艺”的工艺，其工艺为：备料、开棉、碱预浸渍、蒸煮、倒料、洗涤、打浆、除砂、脱水浓缩、(预酸、氯化、碱化)、漂白、酸处理、洗涤、除砂、浓缩、抄造。其蒸煮之后，α-纤维素含量≥95.5％，平均聚合度≥600；漂白之后，α-纤维素含量≥93％，平均聚合度≥450，白度≥75％，粘度≥7.5mPa.s。其后，CN1974921A公开的“一种竹浆粕的制备方法”对其技术进行了改进，其工艺为：备料、蒸煮、倒料、洗涤、除砂、漂白、酸处理、洗涤、除砂、抄造，它主要采用马蹄形的备料方式，排除了蒸煮之后的筛选、疏解等步骤，优化了工艺参数，使得采用次氯酸盐直接漂白即可实现良好的效果。纵观现行的纤维素浆粕制备方法，都需要使用大量的氢氧化钠及次氯酸盐，生产方法复杂、工艺流程长、污染严重，难以满足生产发展的需要。随着人类环保意识的加强，采用无污染或少污染的制浆方法，在我国有着特殊的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有纤维素浆粕制备技术的不足，提供一种工艺简单、节能高效、清洁及无污染的芦苇或秸秆等纤维素浆粕的制备方法。
本发明所采用的技术方案是先用蒸汽爆破技术对芦苇或秸秆等植物纤维原料进行处理，再用有机溶剂对其进行处理，以完成纤维素制浆工艺。
本发明的芦苇或秸秆等纤维素浆粕的制备方法包括以下步骤：
1)将芦苇或秸秆等原料切成20～30mm长，除尘、筛选(除杂等)以备用；
2)将步骤1)得到的芦苇或秸秆等原料浸渍在试剂中进行预浸处理；
所述的预浸处理条件为：浸渍试剂为亚硫酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、稀硫酸、稀盐酸或乙酸等，浸渍试剂的质量浓度为1～20％，浴比为1：6～1：20，温度为常温～100℃，时间为1～48小时；
3)将经步骤2)得到的芦苇或秸秆等原料放入蒸汽爆破处理设备中进行汽爆处理；
所述的汽爆条件为：汽爆介质为水蒸汽、液态氨、二氧化硫、氮气或二氧化碳，压力为1～5Mpa，保压时间10～300秒后瞬间泄压；
4)将步骤3)得到的经蒸汽爆破处理后的芦苇或秸秆等原料水洗后浸泡在有机溶剂中进行处理；然后再经50～70℃、质量浓度为10％的有机溶剂洗涤、水洗、烘干即可制得芦苇或秸秆等纤维素浆粕；
所述的浸泡在有机溶剂中进行处理的工艺条件：有机溶剂质量浓度为20～80％，浴比为1：6～1：30，温度为100～250℃，时间为1～10小时。
所述的有机溶剂是甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、1，4-丁二醇，乙酸乙酯或乙酸等。
所述的秸秆原料为玉米秸秆、棉花秸秆、稻草、麦草或蔗渣等。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
由于本发明利用了蒸汽爆破技术，在汽爆过程中，高压热蒸汽进入植物纤维原料并渗入内部的空隙中，由于热蒸汽和热的联合作用削弱了纤维素与木质素之间的作用力，使原料中的木质素等杂质软化和部分断裂，低分子物质溶出，而高压蒸汽释放时，已渗入纤维内部的热蒸汽分子以气流的方式从较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来，蒸汽的膨胀对周围细胞壁结构施加了一个剪切力，破坏植物组织内部结构，从而完成木质素、纤维素、半纤维素等组织及糖链的分段分离。而经蒸汽爆破处理后的芦苇或秸秆等原料浸泡在有机溶剂中进行处理，有机溶剂可以降解植物原料中的木质素，达到木质素和纤维素高效分离的目的。因此，本发明所采用的技术具有缩短工艺流程，节能、环保(有机溶剂可以通过蒸馏回收再次利用)，有利于清洁生产和环境保护的明显优点。
具体实施方式
实施例1
把芦苇(其化学组分中含有灰分3.10％，木质素19.17％，戊聚糖12.78％，纤维素48.08％)切成20～25mm长的片断，将50g经过筛选的芦苇原料，用质量浓度为5％的盐酸，在40℃，浴比1：6的条件下浸泡处理10小时；预浸后挤出多余的预浸液，使芦苇粗纤维的含水率控制在100％左右，而后置于汽爆罐中，关闭容器，迅速升压至预定的2.7Mpa，汽爆介质为水蒸汽，待闪爆器压力恒定时，保压120秒后瞬间泄压，使原料在压差作用下进入接收容器中，收集汽爆原料，水洗。将经过蒸汽爆破处理的芦苇原料在烧瓶中再经质量浓度为50％的乙醇、浴比1：10，150℃下处理6.5小时。加热结束后，将烧瓶中的有机溶剂取出，然后对烧瓶中的剩余物进行过滤，分离出粗纤维和制浆废液，挤压出粗纤维间夹带的制浆废液与分离粗纤维时的制浆废液，一并加入到蒸馏烧瓶中蒸馏回收乙醇；而粗纤维经过70℃的质量浓度为10％的乙醇洗涤，再用热水洗涤、烘干即可制得芦苇浆粕。
所得芦苇浆粕中含有：α-纤维素的质量含量为93.52％，木质素的质量含量为0.34％，戊聚糖的质量含量为3％，灰分的质量含量为0.10％，白度为79％。
实施例2
把玉米秸秆(其化学组分中含有灰分6.1％，木质素17.54％，戊聚糖20.6％，纤维素41.3％)切成20～25mm长的片断，将50g经过筛选的玉米秸秆原料，用质量浓度为17.5％的氢氧化钠在室温，浴比1：8的条件下浸泡处理1小时，预浸后挤出多余的预浸液，使玉米秸秆粗纤维的含水率控制在100％左右，而后置于汽爆罐中，关闭容器，迅速升压至预定的1.0Mpa，汽爆介质为氮气，待闪爆器压力恒定时，保压300秒后瞬间泄压，使原料在压差作用下进入接收容器中，收集汽爆原料，水洗。将经过蒸汽爆破处理的玉米秸秆原料在烧瓶中再经质量浓度为80％的乙二醇、浴比1：15，180℃下处理2.5小时。加热结束后，将烧瓶中的溶剂取出，然后对烧瓶中的剩余物进行过滤，分离出粗纤维和制浆废液，挤压出粗纤维间夹带的制浆废液与分离粗纤维时的制浆废液，一并加入蒸馏烧瓶中蒸馏回收乙二醇；而粗纤维先经过60℃的质量浓度为10％的乙二醇洗涤，再用热水洗涤、烘干就可制得玉米秸秆浆粕。
所得玉米秸秆浆粕中含有：α-纤维素的质量含量为95.36％，木质素的质量含量为0.19％，戊聚糖的质量含量为2.8％，灰分的质量含量为0.11％，白度为80％。
实施例3
把麦草(其化学组分中含有灰分6.04％，木质素18.34％，戊聚糖22.56％，纤维素40.40％)切成20～25mm长的片断，将50g经过筛选的麦草原料，用质量浓度为1％的硫酸在50℃，浴比1：20的条件下浸泡处理48小时，预浸后挤出多余的预浸液，使麦草粗纤维的含水率控制在100％左右，而后置于汽爆罐中，关闭容器，迅速升压至预定的5.0Mpa，汽爆介质为二氧化碳，待闪爆器压力恒定时，保压10秒后瞬间泄压，使原料在压差作用下进入接收容器中，收集汽爆原料，水洗。将经过蒸汽爆破处理的麦草原料在烧瓶中再经质量浓度为20％的甲醇、浴比1：6，100℃下处理10小时。加热结束后，将烧瓶中的溶剂取出，然后对烧瓶中的剩余物进行过滤，分离出粗纤维和制浆废液，挤压出粗纤维间夹带的制浆废液与分离粗纤维时的制浆废液，一并加入蒸馏烧瓶中蒸馏回收甲醇；而粗纤维经过50℃的质量浓度为10％的甲醇洗涤、热水洗涤，烘干就可制得麦草浆粕。
所得麦草浆粕中含有：α-纤维素的质量含量为94.12％，木质素的质量含量为0.23％，戊聚糖的质量含量为3.2％，灰分的质量含量为0.12％，白度为79％。
实施例4
把蔗渣(其化学组分中含有灰分1.34％，木质素23.85％，戊聚糖18.37％，纤维素44.32％)切成20～25mm长的片断，将50g经过筛选的蔗渣原料，用质量浓度为10％的乙酸在80℃，浴比1：12的条件下浸泡处理20小时，预浸后挤出多余的预浸液，使蔗渣粗纤维的含水率控制在100％左右，而后置于汽爆罐中，关闭容器，迅速升压至预定的3.6Mpa，汽爆介质为二氧化硫，待闪爆器压力恒定时，保压150秒后瞬间泄压，使原料在压差作用下进入接收容器中，收集汽爆原料，水洗。将经过蒸汽爆破处理的蔗渣原料在烧瓶中再经质量浓度为40％的正丙醇、浴比1：15，200℃下处理5小时。加热结束后，将烧瓶中的溶剂取出，然后对烧瓶中的剩余物进行过滤，分离出粗纤维和制浆废液，挤压出粗纤维间夹带的制浆废液与分离粗纤维时的制浆废液，一并加入蒸馏烧瓶中蒸馏回收正丙醇；而粗纤维经过60℃的质量浓度为10％的正丙醇洗涤，再用热水洗涤、烘干就可制得蔗渣浆粕。
所得蔗渣浆粕中含有：α-纤维素的质量含量为95.63％，木质素的质量含量为0.18％，戊聚糖的质量含量为3.6％，灰分的质量含量为0.12％，白度为80％。
实施例5
把稻草(其化学组分中含有灰分13.29％，木质素16.07％，戊聚糖20.26％，纤维素52.72％)切成20～25mm长的片断，将50g经过筛选的稻草原料，用质量浓度为20％的亚硫酸钠在100℃，浴比1：15的条件下浸泡处理30小时，预浸后挤出多余的预浸液，使稻草粗纤维的含水率控制在100％左右，而后置于汽爆罐中，关闭容器，迅速升压至预定的1.8Mpa，汽爆介质为液态氨，待闪爆器压力恒定时，保压250秒后瞬间泄压，使原料在压差作用下进入接收容器中，收集汽爆原料，水洗。将经过蒸汽爆破处理的稻草原料在烧瓶中再经质量浓度为60％的1，4-丁二醇、浴比1：20，200℃下处理8小时。加热结束后，将烧瓶中的溶剂取出，然后对烧瓶中的剩余物进行过滤，分离出粗纤维和制浆废液，挤压出粗纤维间夹带的制浆废液与分离粗纤维时的制浆废液，一并加入蒸馏烧瓶中蒸馏回收1，4-丁二醇；而粗纤维经过65℃的质量浓度为10％的1，4-丁二醇洗涤，再用热水洗涤、烘干就可制得稻草浆粕。
所得稻草浆粕中含有：α-纤维素的质量含量为94.26％，木质素的质量含量为0.20％，戊聚糖的质量含量为2.9％，灰分的质量含量为0.11％，白度为79％。
实施例6
把芦苇(其化学组分中含有灰分3.10％，木质素19.17％，戊聚糖12.78％，纤维素48.08％)切成20～25mm长的片断，将50g经过筛选的芦苇原料，用质量浓度为8％的碳酸钠在60℃，浴比1：10的条件下浸泡处理5小时，预浸后挤出多余的预浸液，使芦苇粗纤维的含水率控制在100％左右，而后置于汽爆罐中，关闭容器，迅速升压至预定的4.2Mpa，汽爆介质为水蒸汽，待闪爆器压力恒定时，保压100秒后瞬间泄压，使原料在压差作用下进入接收容器中，收集汽爆原料，水洗。将经过蒸汽爆破处理的芦苇原料在烧瓶中再经质量浓度为70％的异丙醇、浴比1：30，250℃下处理1小时。加热结束后，将烧瓶中的溶剂取出，然后对烧瓶中的剩余物进行过滤，分离出粗纤维和制浆废液，挤压出粗纤维间夹带的制浆废液与分离粗纤维时的制浆废液，一并加入蒸馏烧瓶中蒸馏回收异丙醇；而粗纤维经过60℃的质量浓度为10％的异丙醇洗涤，再用热水洗涤、烘干就可制得芦苇浆粕。
所得芦苇浆粕中含有：α-纤维素的质量含量为95.02％，木质素的质量含量为0.15％，戊聚糖的质量含量为3.0％，灰分的质量含量为0.12％，白度为79％。
Claims (2)
1.一种芦苇或秸秆纤维素浆粕的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
1)将芦苇或秸秆原料切成20～30mm长，除尘、筛选以备用；
2)将步骤1)得到的芦苇或秸秆原料浸渍在试剂中进行预浸处理；
所述的预浸处理条件为：浸渍试剂为亚硫酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、稀硫酸、稀盐酸或乙酸，浸渍试剂的质量浓度为1～20％，浴比为1∶6～1∶20，温度为常温～100℃，时间为1～48小时；
3)将经步骤2)得到的芦苇或秸秆原料放入蒸汽爆破处理设备中进行汽爆处理；
所述的汽爆条件为：汽爆介质为水蒸汽、液态氨、二氧化硫、氮气或二氧化碳，压力为1～5MPa，保压时间10～300秒后瞬间泄压；
4)将步骤3)得到的经蒸汽爆破处理后的芦苇或秸秆原料水洗后浸泡在有机溶剂中进行处理；然后再经50～70℃、质量浓度为10％的有机溶剂洗涤、水洗、烘干制得芦苇或秸秆纤维素浆粕；
所述的浸泡在有机溶剂中进行处理的工艺条件为：有机溶剂的质量浓度为20～80％，浴比为1∶6～1∶30，温度为100～250℃，时间为1～10小时；
所述的有机溶剂是乙酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的秸秆原料为玉米秸秆、棉花秸秆、稻草、麦草或蔗渣。
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