[發明專利]一種秸稈纖維素灰分脫除工藝

有效

• 申請號: 201310693187.3
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103696307A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 周祚萬;劉詩萌;韋煒;姜曼;徐曉玲;王澤永;古公兵;宋志蓉
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: D21B1/30
• 分類號: D21B1/30
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術領域

本發明涉及可再生生物質材料利用技術領域，尤其涉及脫除農作物秸稈纖維素中的灰分，使其滿足溶液紡絲要求。

背景技術

我國作為糧食大國，每年秸稈的年產量都達到了上億噸，因此這種天然生物質材料的循環再利用就成了研究的熱點問題，秸稈的主要成分有纖維素、半纖維素、木質素，其中纖維素是秸稈農作物的主要成分，其含量可以達到30%～50%。有效分離出其中的纖維素組分用于紡絲，可彌補棉麻等作物產量的不足。同時，天然纖維素具有可再生性、生物相容性以及生物可降解性好等天然優勢，因此開發秸稈纖維在各種相關領域的應用技術十分必要。但是，從農作物秸稈中提取的纖維素產品中灰分含量通常較高，灰分中的Si和Ca，Mg等金屬離子能與纖維素中的羧基生成鹽后，再與纖維素原料中的脂肪酸類化合物生成不溶物而難以去除；同時，灰分中無機鹽的存在也會促進纖維素的老化，大大降低纖維素材料的性能和品質。所以，有效脫除灰分成為天然纖維素產品化紡絲及其它領域中應用的一項重要技術難題。

本發明人所在課題組近年來開展了農作物秸稈組分環保化分離及其高值化利用的系統研究。在秸稈纖維素環保化分離研究方面已獲2項授權專利：用于農作物秸稈纖維素提取的超聲波輔助汽爆預處理工藝（CN2011101160733），一種脫除秸稈木質素組分工藝（CN201010141040X）。按照該工藝，提取的秸稈纖維素的聚合度，甲纖含量等指標均達到紡絲級纖維素標準。但是，灰分含量太高，不能達到紡絲要求。目前主要采用物理除灰法,例如，一種秸稈氣化爐燃料灰分分離裝置（CN100999671A）涉及在秸稈氣化過程中直接分離灰分，但是該方法主要應用在秸稈焚燒后產生的灰分分離，而不是從提取的纖維素中分離出灰分。物理除灰法的專利還包括一種低灰分的豬血漿蛋白粉制作方法（102132760A）和除去灰分的高濃度水煤漿生產方法（CN1073757A），這兩個專利除灰的共同點都是利用研磨、離心干燥等物理方法使灰分自動從原料上剝離來達到除灰目的，但是纖維素本身結構排列緊密，灰分主要以離子形式緊密附著在纖維結構的內部及表面，很難只通過物理手段使其剝離下來。如果采用研磨的方法會破壞纖維的結構，所以這些方法不適用于從纖維素中去除灰分；同時這種方法還存在除灰不徹底的問題，不能得到灰分含量小于0.1%甚至更低的要求。化學除灰法的相關專利和文獻有：一種低灰分的嬰幼兒配方奶粉及其制備方法(CN201210105458)，該專利是利用更換配料的方法降低灰分，使其達到3%以下，這種方法只針對奶粉配方,并不適用于秸稈纖維脫灰；同時其脫灰最佳效果為2%以下，遠遠高于纖維素紡絲的要求。The?production?of?ultra?clean?coal?by?chemical?demineralisation(Karen?M.Steel,Fuel80(2001)2019-2013),Effect?of?HF?addition?on?the?microwave-assisted?acid-digestion?for?thedetermination?of?metals?in?coal?by?inductively?coupled?plasma-atomicemission?spectrometry（Yan-Hua?Xu,Akira?Iwashita,Talanta66(2005)58–64），這兩篇文獻是用HF和HNO₃對煤炭中灰分進行處理，該方法脫灰可以使灰分從7.6%降低到2.6%，這個指標已經到達煤炭的要求，但是距離秸稈纖維紡絲0.1%的要求還是相差甚遠，所以該方法不適用于秸稈纖維脫灰的處理；Effects?of?non-oxidant?and?oxidant?acid?treatments?on?the?surface?properties?of?an?activated?carbon?with?very?low?ash?content（C.Moreno-castilla，F.Carrasco-marín，F.J.Maldonado-hódar，CarbonVolume36,Issues1–2,1998,Pages145–151）；Comparison?of?the?HF-HCl?and?HF-BF3maceration?techniques?and?the?chemistry?of?resultant?organic?concentrates，（Thomas?L.Robl，Burtron?H.Davis，Organic?Geochemistry?Volume20,Issue2,February1993,Pages249–255）這兩篇文獻中均采用HF和HCl對煤炭中的灰分進行處理，這種方法在處理纖維素時，除灰不能達到0.1%以下，除灰效果并不理想。以上這四篇文獻的共同點都是利用HF與灰分的金屬離子反應已達到脫灰效果，但是其缺點是HF酸性較強，容易對秸稈結構造成破壞，這就失去了秸稈纖維脫灰的意義；低灰分稻草漿的研制（張宏偉,楊汝男,張運展，大連輕工業學院學報）主要是利用堿煮法，提高灰分的溶出率，以達到脫灰目的，但是脫灰效率只能到達6%，遠遠高于秸稈纖維紡絲要求；酸處理pH值及助劑對漿粕灰分和鐵含量的影響（中華紙業，第32卷第20期2011年10月）和降低棉漿粕灰分、鐵離子含量方法的探討（China?Academic?Journal?Electronic?Publishing?House，1999年）這兩篇文獻主要是堿煮樣品后利用酸調節，再添加六偏磷酸鈉、磷酸鈉、尿素等助劑以達到除灰目的，但是這種方法引入了過多的化學基團，給后期廢液循環回收帶來了困難；從秸稈中提取纖維素的方法（CN101235604A）和降低木瓜蛋白酶灰分的探討（陳孜、任國梅、黎婉玲、譚見容，China?Academic?Journal?Electronic?Publishing?House，1998年第二期等）這兩篇專利和文獻都是利用丙酮、甲苯等有機溶劑作為脫灰試劑直接與原料反應來達到脫灰目的，但是這些溶劑毒性較大，給后期纖維素應用以及循環利用增加了困難。