一种催化分解木质纤维原料的方法技术

本发明专利技术涉及一种催化分解木质纤维原料的方法，利用有机溶剂对木质纤维原料进行预处理，预处理结束后加入固体酸催化剂进行蒸煮，蒸煮完成后固液分离；将分离得到的固相混合物洗涤后进行筛分，得到纤维素和固体酸催化剂；将分离得到的蒸煮液进行浓缩，回收有机溶剂后得到糖和木质素的混合物。本发明专利技术使用有机溶剂作为分离木质纤维原料的溶液，结合固体酸催化剂进行催化反应，通过对工艺条件的控制，得到糖液、木质素以及纤维素三种产物，实现了对木质纤维原料中有价组分的高效提取，有价组分的回收率可达92％以上。同时降低了分离设备耐腐蚀性要求，且固体酸催化剂和有机溶剂可以重复使用，降低了生产成本以及对环境的污染，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种催化分解木质纤维原料的方法
本专利技术涉及生物原料分解回收领域，具体涉及一种催化分解木质纤维原料的方法。
技术介绍
木质纤维原料中主要含有纤维素、半纤维素、木质素，传统木质纤维原料的分离中，产物单一，产物通常为纤维素，木质纤维原料的其他组分往往被当成副产物，且由于副产物难以回收导致经济效益不高。传统工业上木质纤维原料的分离中，大都使用无机酸，如盐酸、硫酸等作为催化剂，因此分离液中往往含有液体强酸。由于分离液中含有液体强酸，容易腐蚀蒸煮设备，提高了蒸煮设备防腐蚀性要求，进而增加了木质纤维原料的分离成本。固体酸催化剂是一种易处理和保存、对设备无腐蚀、性质稳定、可再生与重复使用、对环境友好的新型催化剂。CN103657653A中公开了一种固体酸催化剂催化纤维素水解的方法，将固体酸代替传统的无机液体强酸，催化纤维素水解。CN102504028A公开了固体酸催化剂制备纤维素有机酸酯的方法，以SO42-/MxOy型固体酸、生物质炭基固体酸、磷铝分子筛固体酸三种固体酸为催化剂、有机酸为溶剂、有机酸酐为酯化剂，制备纤维素有机酸酯。CN104017916A公开了一种利用生物质残渣基磁性纳米固体酸催化剂催化水解纤维素的方法，将纤维素、蒸馏水和生物质残渣基磁性纳米固体酸催化剂混合加热，分离获得纤维素水解液。上述方法主要利用固体酸催化剂分解纤维素，虽然取得了较好的效果，但其应用性不广。传统方法利用水对木质纤维原料进行蒸煮，得到的产物一般为纤维素，存在产品结构单一、副产物处理难、环境污染大等的弊端。为了实现木质纤维原料中有价物质的高效利用，提高经济效益，同时减少对环境的危害，有必要对现有的木质纤维原料分解方法进行进一步改进。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种催化分解木质纤维原料的方法，得到糖液、木质素以及纤维素三种产物，同时实现了对木质纤维原料中有价组分的高效提取，有价组分的回收率可达92％以上。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种催化分解木质纤维原料的方法，所述方法包括以下步骤：(1)利用有机溶剂对木质纤维原料进行预处理，预处理结束后加入固体酸催化剂进行蒸煮，蒸煮完成后固液分离；(2)将步骤(1)分离得到的固相混合物进行筛分，得到纤维素和固体酸催化剂；将步骤(1)分离得到的蒸煮液进行浓缩，回收有机溶剂后得到糖和木质素的混合物。根据本专利技术，步骤(1)所述有机溶剂为有机酸、有机醇或酯类中的至少一种，示例性的，所述有机溶剂可以为乙醇、丙醇、丁醇、甲酸、乙酸、丙酸、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的至少一种，但非仅限于此。根据本专利技术，步骤(1)所述有机溶剂和木质纤维原料的质量比为(3-30):1，例如可以是3:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1或30:1等。根据本专利技术，步骤(1)所述木质纤维原料为木本类生物质和/或禾本类生物质，优选为木本类生物质。示例性的，所述木本类生物质可以为硬木、软木或灌木中的至少一种，所述禾本类生物质可以为甘蔗渣、竹、稻草、麦秸、玉米杆或芦苇中的至少一种，但非仅限于此，其他木本类生物质和/或禾本类生物质的植物原料同样适用于本专利技术。根据本专利技术，步骤(1)所述预处理的温度为25-200℃，例如可以是25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃或200℃等。根据本专利技术，步骤(1)所述预处理的时间为0.5-5h，例如可以是0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h等。根据本专利技术，步骤(1)所述固体酸催化剂为固载型催化剂、沸石分子筛、氧化物、硫化物、超强酸或离子交换树脂中的至少一种。示例性的，所述固载型催化剂可以为SO42-/MXOY型、BF3/MXOY型或H3PO4/MXOY型中的至少一种，所述MxOy为Fe2O3、Fe3O4、Al2O3、TiO2或SiO2中的至少一种；但非仅限于此，其他合适的固载型催化剂同样适用于本专利技术。类似的，所述沸石分子筛可以为ZSM-5沸石分子筛、X型沸石分子筛或Y型沸石分子筛中的至少一种；所述氧化物可以为Al2O3、SiO2、B2O3、Nb2O3、Al2O3/B2O3或Al2O3/SiO2中的至少一种；所述硫化物可以为CdS和/或ZnS；所述超强酸可以为B2O3/ZrO2、WO3/ZrO2、MoO3/ZrO2或B2O3/ZrO2中的至少一种；所述离子交换树脂可以为Amberlyst-15、Nafion-NR50或TiCl4/A-15中的至少一种。上述只是对不同类型的固体酸催化剂的列举，并非仅限于此。根据本专利技术，所述固体酸催化剂的形态为颗粒状或球状。根据本专利技术，步骤(1)所述固体酸催化剂的添加量为木质纤维原料的0.1-5wt％，例如可以是0.1wt％、0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％或5wt％等。根据本专利技术，步骤(1)所述蒸煮的温度为90-200℃，例如可以是90℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃等。根据本专利技术，步骤(1)所述蒸煮的时间为0.5-10h，例如可以是0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h等。本专利技术在步骤(2)中在进行所述筛分之前，对固相混合物进行洗涤，所述洗涤的操作为：使用有机溶剂与水对固相混合物交替洗涤2-10次，然后进行筛分；或，先用100-200℃蒸汽处理固相混合物10min到2h，去除纤维中含有的溶剂，接着水洗2-10次，之后再进行筛分。本专利技术所述筛分过程中选用孔径在0.1-10mm范围内的不同组合的筛网进行，筛分后所述固体酸催化剂截留在孔径为3-8mm筛网上。本专利技术在步骤(2)中优选对蒸煮液进行蒸发浓缩。优选地，步骤(2)所述蒸发浓缩的温度为70-150℃，在负压下进行，浓缩的倍数为3-15倍。浓缩过程中回收有机溶剂，得到的浓缩液中含有糖和木质素。根据本专利技术，步骤(2)回收后的固体酸催化剂重复使用2-100次后可进行再生。当步骤(1)所述固体酸催化剂为固载型催化剂时，所述再生的操作为：将固载型催化剂与相应的酸液或盐溶液混合，在25-150℃的条件下处理1-24h，控制催化剂与酸液或盐溶液的质量比低于1:20，处理结束后清洗干净，在50-150℃条件下干燥，再经300-700℃处理2-10h后回用。上述酸液或盐溶液与固载型催化剂种类一一对应，如当对SO42-/MXOY型固体酸催化剂进行再生时，此时溶液可为硫酸或硫酸盐。类似的，对H3PO4/MXOY型固体酸催化剂再生时对应酸液可为磷酸，对BF3/MXOY型固体酸催化剂再生时对应酸液可为氟硼酸。当步骤(1)所述固体酸催化剂为除固载型催化剂之外的其他催化剂时(沸石分子筛、氧化物、硫化物、超强酸或离子交换树脂)，所述再生的操作为：将回收的固体酸催化剂清洗干净，在50-150℃条件下干燥，再经300-700℃处理2-10h后回用。本专利技术可选择对步骤(2)得到的糖和木质素的混合物进行进一步分离，具体操作为：将混合物溶解在水中，固液分离后得到糖液(液相)和木质素(固相)。作为优选的技术方案，本专利技术所述催化分解木质纤维原料的方法包括以下步骤：(1)按照(3-30):1的质量比将有机溶剂与木质纤维原料混合，然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化分解木质纤维原料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)利用有机溶剂对木质纤维原料进行预处理，预处理结束后加入固体酸催化剂进行蒸煮，蒸煮完成后固液分离；(2)将步骤(1)分离得到的固相混合物进行筛分，得到纤维素和固体酸催化剂；将步骤(1)分离得到的蒸煮液进行浓缩，回收有机溶剂后得到糖和木质素的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种催化分解木质纤维原料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)利用有机溶剂对木质纤维原料进行预处理，预处理结束后加入固体酸催化剂进行蒸煮，蒸煮完成后固液分离；(2)将步骤(1)分离得到的固相混合物进行筛分，得到纤维素和固体酸催化剂；将步骤(1)分离得到的蒸煮液进行浓缩，回收有机溶剂后得到糖和木质素的混合物。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述有机溶剂为有机酸、有机醇或酯类中的至少一种；优选地，步骤(1)所述有机溶剂和木质纤维原料的质量比为(3-30):1。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述木质纤维原料为木本类生物质和/或禾本类生物质，优选为木本类生物质；优选地，所述木本类生物质为硬木、软木或灌木中的至少一种；优选地，所述禾本类生物质为甘蔗渣、竹、稻草、麦秸、玉米杆或芦苇中的至少一种。4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述预处理的温度为25-200℃；优选地，步骤(1)所述预处理的时间为0.5-5h。5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述固体酸催化剂为固载型催化剂、沸石分子筛、氧化物、硫化物、超强酸或离子交换树脂中的至少一种；优选地，所述固载型催化剂为SO42-/MXOY型、BF3/MXOY型或H3PO4/MXOY型中的至少一种，所述MxOy为Fe2O3、Fe3O4、Al2O3、TiO2或SiO2中的至少一种；优选地，所述沸石分子筛为ZSM-5沸石分子筛、X型沸石分子筛或Y型沸石分子筛中的至少一种；优选地，所述氧化物为Al2O3、SiO2、B2O3、Nb2O3、Al2O3/B2O3或Al2O3/SiO2中的至少一种；优选地，所述硫化物为CdS和/或ZnS；优选地，所述超强酸为B2O3/ZrO2、WO3/ZrO2、MoO3/ZrO2或B2O3/ZrO2中的至少一种；优选地，所述离子交换树脂为Amberlyst-15、Nafion...

【专利技术属性】
技术研发人员：张睿哲，刘运思，闵渝，陈文健，
申请(专利权)人：广州楹鼎生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44