[發(fā)明專利]基于水熱耦合低共熔溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110018446.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112812322A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田東;沈飛躍;陳怡奕;蔣月菡;胥露;胡岑涵毅;魏穎;沈飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C08H7/00
• 分類號(hào): C08H7/00;C08B37/14;C08J3/12;C01B32/15;C01B32/324;C01B32/348;D21C5/00;D21D1/30;D21C3/04;C08L97/00
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 劉妮

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于水熱耦合低共熔溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方法，基于綠色高效的水熱耦合低共熔溶劑兩步法預(yù)處理手段選擇性分離出半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。此分離所得的三大組分具有結(jié)構(gòu)完整、生物兼容性好和可利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)。其中將半纖維素、纖維素和木質(zhì)素分別制備成高價(jià)值的生物基納米材料：高比表面積(2000)的碳納米材料，高結(jié)晶度(70％)、高縱橫比(140)的木質(zhì)纖維素納米纖維和粒徑低至100nm具有核殼結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素納米球。實(shí)現(xiàn)了低值木質(zhì)纖維廢棄物到高價(jià)值納米材料平臺(tái)的全組分轉(zhuǎn)化，并進(jìn)一步探索了所制備納米材料的優(yōu)良性能，為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于水熱耦合低共熔溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方法，具體為選擇性分離木質(zhì)纖維素全組分納米材料轉(zhuǎn)化的工藝。

背景技術(shù)

中國(guó)作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)林生產(chǎn)過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生巨大數(shù)量、種類豐富的農(nóng)林廢棄物。這些農(nóng)林廢棄物主要成分是木質(zhì)纖維素，其是地球上最豐富的可再生資源、化學(xué)品和材料，但是大部分農(nóng)林廢棄物只是依靠焚燒和填埋進(jìn)行處理，未被合理的開(kāi)發(fā)和利用。木質(zhì)纖維素主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，將其主要成分進(jìn)行高效分離，是實(shí)現(xiàn)多元化，高值化生物精煉的基礎(chǔ)。因此，探究一套綠色、高效的預(yù)處理體系，選擇性分離木質(zhì)纖維素三大組分，是實(shí)現(xiàn)三大組分的高價(jià)值納米材料轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。近年來(lái)，低共熔溶劑(deep eutectic solvent)預(yù)處理作為一共綠色、高效、易合成的離子液體越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。低共熔溶劑通常由一定化學(xué)計(jì)量比的氫鍵受體(如季銨鹽)和氫鍵供體(如酰胺、羧酸和多元醇等)組合在一定的溫度下反應(yīng)生成低共熔混合物。它和離子液體具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，如低揮發(fā)性、不可燃性等，其對(duì)生物質(zhì)組分有著良好的溶解特性，尤其對(duì)木質(zhì)素的溶解和分離。

碳納米材料是指分散至少有一維小于100nm的結(jié)構(gòu)型碳材料，主要包括富勒烯、納米碳管、石墨烯和納米介孔碳等。納米碳材料具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、比表面積高和來(lái)源豐富等特點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ募{米材料；納米纖維素以其優(yōu)異的可降解性、生物相容性、熱穩(wěn)定性、比表面積、易交織成網(wǎng)、高強(qiáng)度、光學(xué)透明性、機(jī)械穩(wěn)定性與增稠性等，被廣泛應(yīng)用與各領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣泛；木質(zhì)素納米球是一種具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的微納米木質(zhì)素，其主要應(yīng)用于藥物載體、紫外防護(hù)和納米填料等方面。盡管目前已有一些關(guān)于木質(zhì)纖維素基納米材料制備的報(bào)道，但是大多數(shù)制備材料目標(biāo)產(chǎn)物單一，產(chǎn)生了木質(zhì)纖維素副產(chǎn)物的二次污染，難以實(shí)現(xiàn)資源材料的全利用。目前本發(fā)明采用水熱協(xié)同DES預(yù)處理選擇性分離木質(zhì)纖維三大組分，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的全組分納米材料轉(zhuǎn)化尚未有報(bào)告。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種綠色高效木質(zhì)纖維素預(yù)處理手段，選擇性分離木質(zhì)纖維素三大組分，該方法綠色可持續(xù)、成本低廉，且能夠?qū)崿F(xiàn)后端三大組分的碳納米材料、木質(zhì)纖維素納米纖維和木質(zhì)素納米球的同步制備，實(shí)現(xiàn)了廢棄生物質(zhì)全組分納米材料的資源轉(zhuǎn)化。

為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明具體通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于水熱耦合低共熔溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方法，包括以下步驟：

1)將風(fēng)干的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)切碎蒸煮水熱處理，添加稀硫酸做催化劑反應(yīng)，分離得到半纖維素濾液；

2)分離所得固體與酸性低共熔溶劑混合加熱反應(yīng)，過(guò)濾后固體用去離子水洗至中性得到纖維素固體組分；在濾液中加入丙酮/水混合液，絮凝沉淀得到木質(zhì)素；

3)將半纖維素的水解液水熱碳化，所得焦炭經(jīng)與KOH混合研磨經(jīng)高溫活化制得碳納米材料；

4)將纖維素的懸浮液經(jīng)研磨、超聲破碎處理得木質(zhì)纖維素納米纖維素；

5)將木質(zhì)素溶解于γ戊內(nèi)酯溶劑中，加入甘油，攪拌形成木質(zhì)素乳液，置于SPG膜乳化器壓力罐，制備得到木質(zhì)素微納米球。