CN102852016A - 一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术制备水溶性纤维素的工艺 - Google Patents

Abstract

一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术制备水溶性纤维素的工艺，其特征在于：应用具有自主知识产权的负压空化的技术对纤维素类生物质进行浓酸水解，经过扩散渗析膜分离得到酸液和水溶性纤维素水溶液，酸液经过负压成膜设备进行浓缩并回用。此过程采用了具有自主知识产权的负压空化设备、扩散渗析膜分离设备和负压成膜设备进行酸和水溶性纤维素分离和浓缩，整个工艺过程具有能耗低的优点；由于酸液循环使用，使整个工艺过程具有无污染、无废料等特点，所得产品具有高转化率、高得率的优点。为拓展纤维素类生物质的高附加值利用打开了广阔前景。

Description

一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术制备水溶性纤维素的工艺

所属技术领域：

本发明涉及化工、石化和轻工领域。 

背景技术：

随着社会发展，人类对能源需求逐增，石化及煤炭资源的有限性及不可再生性，必然导致供给不足，因此，寻找再生能源成为迫在眉睫的事情。目前，可利用再生能源有风能、太阳能、水能、海洋能等，但这些能源的利用受诸多因素影响，因此，科学家们把目光集中在木质纤维素可再生资源上。地球植物每年生长量中所含生物质能量相当于600亿吨～800亿吨石油，仅有极少部分被利用。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，木本植物原料中含有38～50%的纤维素、20～35%的半纤维素及15～25%的木质素，纤维素是葡萄糖高聚物，作为一种化石燃料的替代能源，由于其具有“CO2零排放”效应、低硫、资源广泛和可再生性等特点，如果能将这些取之不尽的可再生资源得到充分有效的利用，必然具有重大的社会和经济意义。木质纤维素生物质转化新型能源和高附加值化工产品是国内外关注研究热点，包括液态烷烃，2,5-二甲基呋喃，生物乙醇等，其转化的关键步骤是纤维素生物质清洁水解。然而纤维素是由β-1,4-糖苷键组成的长链分子，分子内及分子间由于氢键的存在形成高度的结晶结构，这种超稳态结构不同于直链淀粉的螺旋结构，使得纤维素水解异常困难。目前纤维素水解越来越引起人们的高度重视，现有的水解工艺主要是浓硫酸，盐酸等强酸水解和纤维素酶水解。酶水解反应条件温和，不产生发酵抑制物，但酶制剂的成本高，酶作用时间长，效率低等；浓酸水解反应具有条件温和，能耗低，速率快，水解率高等优点，但酸回收是困绕浓酸水解技术应用的关键所在。 

浓酸水解是低温下，纤维素在浓酸作用下溶解，进行水解反应。其原理是结晶纤维素较低温度下完全溶解于72%的硫酸中，导致纤维素的均相水解。酸水解工艺相对比较成功，可产生高产率的水溶性纤维素，典型的工艺是用60%～90%的浓硫酸来进行酸解。 

负压空化是利用负压为动力以抽气形式激发出的微小气泡（空化核）在瞬间溃灭，使其周围产生的强烈空化效应和机械振动加速原料组织中的目的成分进入溶剂，空蚀效果显著，传质面积大，效率高，因此应用负压空化技术能有效的强化纤维素的酸解过程。负压空化传质体系可划分为四个区域，如图1所示。纤维素类生物质的负压空化浓酸水解装置见图2。 

纤维素浓酸水解的关键核心问题是酸的回收，由于已有传统的酸回收技术不够成熟，使得浓酸水解工艺处于停滞徘徊阶段。如何以经济的方法把酸和水溶性纤维素分离， 不但便于水溶性纤维素在后续工艺过程中的处理，同时为酸循环回收使用创造条件，既节约了成本又未造成环境污染，具有重大经济和社会意义。 

本发明采用膜分离技术，每个膜单元分离室都由渗析室和扩散室构成。当水溶性纤维素-硫酸混合溶液和清水分别流经渗析室和扩散室时，由于阴膜呈正电性，造成有选择的吸附呈负电性的硫酸根，通过膜上的纳米孔隙迁移到扩散室一侧，在浓度差的推动下扩散到清水，从而实现了硫酸和水溶性纤维素的分离。整套膜分离装置采用多膜组和逆流进液方式实现了水溶性纤维素和硫酸快速和高效分离的目的。 

从可持续发展来看，以纤维素类生物质为原料生产水溶性纤维素必将是一个非常具有潜力的发展方向，它既节约有限石化资源，又可降低环境污染，是一项集环境效益、社会效益和经济效益于一体的新型可持续环保产业，其重要意义是毋庸置疑的。 

基于上述原因，通过本项发明应用负压传质酸解和扩散渗析膜分离技术，以纤维素类生物质为原料高效转化成水溶性纤维素，使得纤维素资源得到更广泛、更有效的高附加值利用。 

发明内容：

一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术制备水溶性纤维素的工艺，其特征在于：应用具有自主知识产权的负压空化的技术对纤维素类生物质进行浓酸水解，经过扩散渗析膜分离得到酸液和水溶性纤维素，酸液经过负压成膜设备进行浓缩并回用。由于此过程采用了具有自主知识产权的扩散渗析膜分离设备和负压成膜设备进行酸和水溶性纤维素分离和浓缩，整个工艺过程具有能耗低的优点；由于酸液循环使用，使整个工艺过程具有无污染、无废料等特点，所得产品具有高转化率、高得率的优点。为拓展制备水溶性纤维素和纤维素类生物质的高附加值利用打开了广阔前景。 

本发明的目的在于提供一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术酸解纤维素制备水溶性纤维素的工艺。 

为了达到上述目的，本发明采用如下工艺： 

1、本发明适用的原料为所有纤维素生物质原料，包括各种针叶材、阔叶材、农作物秸秆等。 

2、本发明首次采用负压空化技术用于纤维素类生物质的浓酸水解，由于在水解过程中采用负压空化技术，即通过通入的气流使原料和酸液充分接触并加速酸解反应过程，极大提高了酸水解的效率。 

3、本发明首次采用扩散渗析膜分离技术对酸和水溶性纤维素进行分离，由于采用阴极膜和逆流进液方式实现了水溶性纤维素与酸快速、高效的分离。操作方便、设备简单， 整个膜分离过程，除了输送酸解纤维素混合溶液和清水，没有其他额外的能量消耗，节能和低的运行成本成为本项发明专利的突出优势。 

4、本发明首次应用负压成膜技术用于水溶性纤维素溶液和酸液浓缩过程，此项技术能够实现高效浓缩，缩短生产时间和提高生产效能，由于酸液循环使用，使整个工艺过程具有无污染、无废料等特点，所得产品具有高转化率、高得率的优点。 

具体实施方式：

下面对本发明实施作进一步详细描述： 

应用具有自主知识产权的负压空化的方法对纤维素类生物质进行浓酸水解获得水溶性纤维素，然后经过扩散渗析膜分离酸和水溶性纤维素，水溶性纤维素溶液经自主知识产权的负压成膜设备浓缩，获得所需水溶性纤维素浓度的溶液；同样酸液采用具有自主知识产权的负压成膜设备进行负压高效浓缩，所得酸液循环使用。 

下面，本发明将用实施例进行进一步的说明，但是它并不限于这些实施例的任一个或类似实例。 

实施例1： 

15kg干燥的落叶松纤维浆料室温条件下逐渐加入到60kg的72%浓硫酸中进行负压空化1.5h，得到落叶松纤维浆料的水溶性纤维素酸解液，经苯酚硫酸法检测，水溶性纤维素转化率达到了92%，经过硝酸乙醇的方法检测所获得剩余物中残留的纤维素，计算出落叶松纤维浆料的水解率达到了90%，获得的水溶性纤维素酸解液经过扩散渗析膜分离得到酸液和水溶性纤维素溶液，酸解液中酸液浓度为36%，酸解液与清水体积比为1:1，室温条件下，流量为500mL/min，酸分离效率为82%/次，水溶性纤维素的截留率为91%，水溶性纤维素溶液和酸液分别经负压成膜设备60℃负压条件下进行高效浓缩，获得所需水溶性纤维素浓度的溶液和72%可回用的浓硫酸。 

实施例2： 

15kg干燥的白桦纤维浆料室温条件下逐渐加入到60kg的72%浓硫酸中进行负压空化1h，得到白桦纤维浆料的水溶性纤维素酸解液，经苯酚硫酸法检测，水溶性纤维素转化率达到了93%，经过硝酸乙醇的方法检测所获得剩余物中残留的纤维素，计算出白桦纤维浆料的水解率达到了92%，获得的水溶性纤维素酸解液经过扩散渗析膜分离得到酸液和水溶性纤维素溶液，酸解液中酸液浓度为36%，酸解液与清水体积比为1:1，室温条件下，流量为500mL/min，酸分离效率为82%/次，水溶性纤维素的截留率为90%，水溶性纤维素溶液和酸液分别经负压成膜设备60℃负压条件下进行高效浓缩，获得所需水溶性纤维素浓度的溶液和72%可回用的浓硫酸。 

实施例3： 

15kg干燥的秸秆纤维浆料室温条件下逐渐加入到45kg的72%浓硫酸中进行负压空化0.5h，得到秸秆纤维浆料的水溶性纤维素酸解液，经苯酚硫酸法检测，水溶性纤维素转化率达到了95%，经过硝酸乙醇的方法检测所获得剩余物中残留的纤维素，计算出秸秆纤维浆料的水解率达到了94%，获得的水溶性纤维素酸解液经过扩散渗析膜分离得到酸液和水溶性纤维素溶液，酸解液中酸液浓度为48%，酸解液与清水体积比为1:1，室温条件下，流量为500mL/min，酸分离效率为84%/次，水溶性纤维素的截留率为92%，水溶性纤维素溶液和酸液分别经负压成膜设备60℃负压条件下进行高效浓缩，获得所需水溶性纤维素浓度的溶液和72%可回用的浓硫酸。 

附图说明：

图1是负压空化体系区域划分示意图，将负压空化传质体系划分为四个区域，包括湍流区、轴气流区、混旋区和气泡发生区。图2是纤维素类生物质的负压空化浓酸水解装置图。该技术主要依据利用负压为动力，通过柱底进气方法，促使纤维素与浓酸进行充分混合搅拌，同时利用在负压条件下气泡的独特传质效应—空化效应，来强化传质，提高硫酸水解纤维素的效率。 

Claims (5)

1.其特征在于：应用具有自主知识产权的负压空化技术对纤维素类生物质进行浓酸水解，再经过扩散渗析膜分离等过程，制备出高转化率的水溶性纤维素溶液，自主知识产权的扩散渗析膜分离设备和负压成膜设备进行酸和水溶性纤维素分离及浓缩，使得酸和水溶性纤维素分离效率、浓缩效率都大大提高，能耗大幅降低。

2.按照权利要求1所述的一种应用具有自主知识产权的负压传质的方法对纤维素类生物质进行酸解制备水溶性纤维素，其特征在于：所述的酸解是采用了自主知识产权的负压空化设备在负压条件下进行的，其工艺条件如下：液料比3～5:1，酸浓度为60%～80%，温度为室温20℃，负压空化时间为0.5～1.5h。

3.按照权利要求1所述的采用扩散渗析膜分离技术对酸和水溶性纤维素进行分离，其特征在于：所述的扩散渗析膜分离过程是采用阴极膜和逆流进液方式，在常温常压条件下，清水与酸解水溶性纤维素溶液体积比1:1，酸浓度为≤50%，酸分离效率为80%～90%/次，水溶性纤维素的截留率为90%～95%。

4.按照权利要求1所述的一种应用具有自主知识产权的负压传质的方法对纤维素类生物质进行酸解制备水溶性纤维素，其特征在于：所述的水溶性纤维素溶液采用具有自主知识产权的负压成膜设备于60℃进行负压高效浓缩，获得所需水溶性纤维素溶液浓度。

5.按照权利要求1所述的一种应用具有自主知识产权的负压传质的方法对纤维素类生物质进行酸解制备水溶性纤维素，其特征在于：所述的酸液采用具有自主知识产权的负压成膜设备于60℃进行负压高效浓缩，所得酸液循环使用。

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