[發(fā)明專(zhuān)利]一種以酶解木質(zhì)素為原料制備活性炭的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510506443.2
• 申請(qǐng)日: 2015-08-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105197926A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉勇志;左宋林
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B31/12
• 分類(lèi)號(hào): C01B31/12
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化工生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種以酶解木質(zhì)素為原料制備活性炭的方法。

背景技術(shù)

植物纖維原料是生物質(zhì)原料，是生物質(zhì)加工利用的主要種類(lèi)。植物纖維原料的主要化學(xué)構(gòu)成是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素和半纖維素是高聚糖，是脂肪族碳鏈高分子化合物；木質(zhì)素是一類(lèi)含有芳環(huán)的交聯(lián)型高分子，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在植物纖維原料的化學(xué)加工過(guò)程中，高聚糖由于化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、容易被降解等原因，因此，容易通過(guò)降解得到利用，而木質(zhì)素由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因而加工利用較困難。這些特性造成植物纖維原料化學(xué)加工利用的原料利用率低的難題。在生物質(zhì)化學(xué)加工利用過(guò)程中，木質(zhì)素往往成為加工利用過(guò)程產(chǎn)生的廢渣，不僅大大影響了原料的利用效率，而且也造成環(huán)境污染。例如，在制漿領(lǐng)域中，木質(zhì)素就是制漿工業(yè)造成嚴(yán)重污染的主要來(lái)源，也是該領(lǐng)域綜合利用需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，把植物纖維原料加工利用過(guò)程所產(chǎn)生的木質(zhì)素廢渣進(jìn)一步改性加工利用轉(zhuǎn)變?yōu)楦黝?lèi)化學(xué)品或材料，是人們高效利用植物纖維原料的必要途徑。已有許多研究報(bào)道了把木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為含有芳環(huán)的化學(xué)品以及高分子、炭纖維和活性炭等材料。

目前，植物纖維原料通過(guò)酸水解和酶水解后，將纖維素和半纖維素降解，得到單糖和低聚糖，并溶解在水溶劑中，通過(guò)進(jìn)一步的化學(xué)和生物化學(xué)加工，可以轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品，而剩余的殘?jiān)鼊t主要是木質(zhì)素。因此，在生物質(zhì)加工利用過(guò)程中，所產(chǎn)生的酸水解木質(zhì)素和酶解木質(zhì)素是兩類(lèi)主要的木質(zhì)素殘?jiān)N類(lèi)。傳統(tǒng)的酸水解木質(zhì)素的利用已有幾十年的研究和開(kāi)發(fā)歷史，例如把酸水解木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為酚類(lèi)化合物、酚醛膠黏劑和活性炭等產(chǎn)品。而酶解木質(zhì)素是植物纖維原料的現(xiàn)代生物化學(xué)加工利用過(guò)程中所產(chǎn)生的，它的利用還剛剛開(kāi)始。

由于酸水解條件劇烈，且木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)在酸性條件下發(fā)生顯著改變，有的木質(zhì)素可以溶解于酸溶液中，有的木質(zhì)素則發(fā)生顯著的聚合；而酶解木質(zhì)素是在溫和水解條件下進(jìn)行的，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的變化不同于酸水解條件。而且對(duì)于植物纖維原料來(lái)說(shuō)，酸水解導(dǎo)致植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被完全破壞，酶水解則部分保留了植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。由于它們?cè)诨瘜W(xué)組成與結(jié)構(gòu)上的顯著差異必然導(dǎo)致酸水解和酶水解木質(zhì)素的加工利用方法和過(guò)程有很大差異。

活性炭是一類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積高的炭質(zhì)吸附劑，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、濕法冶金、藥物精制、軍事化學(xué)保護(hù)等眾多領(lǐng)域。生產(chǎn)活性炭的原料主要是煤和木材、竹材、果殼等植物纖維原料，所采用的主要方法是氣體活化法（也稱(chēng)為物理活化法）和化學(xué)藥品活化法。

現(xiàn)有研究表明，采用化學(xué)藥品活化木材、主材和秸稈等植物纖維制備活性炭的前提條件和關(guān)鍵因素是，化學(xué)藥品要滲透并分散到原料內(nèi)部。然而，由于這些原料所具有的堅(jiān)固的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，通常情況下下，化學(xué)藥品所配制的溶液難以滲透到細(xì)胞壁內(nèi)部，不能較好分散到纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成的物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，那么經(jīng)過(guò)炭化并洗出化學(xué)試劑后，不能形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，也就是不能達(dá)到較好的活化效果，活性炭的品質(zhì)就很差。本發(fā)明人以往在采用磷酸活化植物纖維原料制備活性炭的研究與開(kāi)發(fā)工作中，發(fā)表和申請(qǐng)了論文和相關(guān)專(zhuān)利（Carbon,2009,47(15)：3578-3580；ZL200910184645.4），并已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于氯化鋅和磷酸所具有的纖維素潤(rùn)漲作用以及酸水解作用，因此可以較好滲透到這些植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而生產(chǎn)出孔隙發(fā)達(dá)的活性炭產(chǎn)品。但其它的無(wú)機(jī)物，如氯化鎂、氯化鈉都沒(méi)有效果。另一種情形是，可溶解的含碳低分子量有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)化學(xué)試劑在水或其它溶劑中可以很好的混合，甚至均勻混合，理論上非常有利于制備孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)和調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)。但由于在炭化過(guò)程中，這樣的有機(jī)和無(wú)機(jī)混合物會(huì)發(fā)生融化、收縮等劇烈變化，導(dǎo)致形成的孔隙結(jié)構(gòu)也不太發(fā)達(dá)，孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)控變得非常復(fù)雜。因此，均還不能完全滿(mǎn)足使用需求。