用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法
技术领域
本发明涉及的是一种用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法,属于木材加工与木质复合材料领域。
背景技术
人工林杨树、桉树等速生木材是我国人造板等木质复合材料的主要原料,目前产品单一、附加值较低,对速生木材加工领域的发展影响较大。为此,需要进一步开发速生木材加工新技术,研究高附加值的新材料。目前,随着环境的日益恶化以及石化能源的匮乏,二氧化碳的捕集与分离已经成为当今研究热点,通过将速生木材加工的纳米纤维素为基材,再通过表面功能化处理,制备高性能的二氧化碳吸附材料,用于捕集回收烟道气、天然气和沼气中的二氧化碳,将可以提高速生木材的加工技术水平,开发出高附加值的新材料。
发明内容
本发明提出的是一种用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法,其目的是利用速生木材加工高附加值产品,提高速生木材的利用价值;另外,利用可再生的植物纤维为基材,制造二氧化碳吸附材料,减少对非再生材料的依赖,使得二氧化碳吸附过程变得更加绿色化,有利于二氧化碳吸附工艺的推广,降低二氧化碳的排放。
本发明的技术解决方案:用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法,包括如下工艺步骤:
(1)将人工林杨树、桉树等速生木材粉碎至30-50目;
(2)在90℃条件下,用8-12%(w/w)的氢氧化钠溶液处理步骤(1)中已经粉碎的植物纤维原料6-9小时,过滤,洗涤,得到固体纤维。然后,再在160-180℃条件下,用2-6%(w/w)亚硫酸钠溶液处理这些固体纤维0.5-2小时,过滤,洗涤,得到白色纤维素;
(3)在4℃温度下,采用20-40%氯化铵饱和溶液,沉淀纤维素酶制剂溶液,在4℃下静置3-6小时,然后在4℃、8000rpm条件下离心分离,取其上清液,并将其中硫酸铵饱和度调节至60%,放置于4℃冰箱中静置过夜,在4℃、8000rpm条件下离心分离,去除去上清液,并用蒸馏水洗涤所得沉淀物三次,每次用与沉淀物等体积的去离子水洗涤,得到的沉淀物即为内切纤维素酶;
(4)在温度50℃、pH=4.8下,用步骤(3)中分离得到的内切纤维素酶处理步骤(2)中的纤维素,浆料固液比1:30-60,内切纤维素酶用量为30-45IU/g纸浆纤维,处理时间20-24小时。酶处理之后,过滤,并用去离子水洗涤三次,每次去离子水用量等于酶处理时总体积;
(5)室温下,高压均质处理处理步骤(4)中所得纤维素,处理时浆料中纤维素含量为1-2%(w/w),操作压强为800-100bar,循环3-5次,然后在4℃、11000rpm条件下,离心除去一定量的水分;
(6)取步骤(5)中部分纳米纤维素,配置成浓度为3-5%纳米纤维素悬浮液,进一步超声分散成胶体状。将其滴入浓度为0.20-0.50mol/L的二价盐溶液中,静置8-12小时,获得直径为4-8mm的近似球形颗粒状的纳米纤维素水凝胶,过滤,分别置于两倍于纳米纤维素水凝胶体积的25%、50%、95%的乙醇溶液中12-24小时,过滤得到纳米纤维素醇凝胶颗粒;
(7)将步骤(6)中所得的纳米纤维素醇凝胶颗粒与胺基硅烷的乙醇溶液相混合,置于旋转的耐压水热釜反应器内进行改性反应。反应条件:反应温度120℃,在该温度下保温10-16小时,胺基硅烷的乙醇溶液中胺基硅烷的浓度2-8%,胺基硅烷的乙醇溶液的体积为纳米纤维素醇凝胶体积的1-3倍,旋转速度为1-4rpm。反应完成后,迅速地用自来水冷却反应釜半小时,然后过滤,得到胺基化纳米纤维素颗粒;
(8)将将步骤(7)中得到的胺基化纳米纤维素颗粒放入超临界萃取釜中,在35-60℃,压强为35-65MPa下,萃取20-60分钟,得到胺基化纳米纤维素气凝胶颗粒为二氧化碳吸附材料。
本发明的有益效果,利用本发明制造出的胺基化纳米纤维素气凝胶颗粒具有以下特性:
1)BET表面积400-600m2/g,
2)平均孔径为15-25nm,
3)25℃时二氧化碳的吸附能力为1.5-2.5mmol/g;
4)二氧化碳吸附饱和后,该气凝胶的3次再生率均大于90%。
具体实施方式
用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法,包括如下工艺步骤:
(1)将人工林杨树、桉树等速生木材粉碎至30-50目;
(2)在90℃条件下,用8-12%(w/w)的氢氧化钠溶液处理步骤(1)中已经粉碎的植物纤维原料6-9小时,过滤,洗涤,得到固体纤维。然后,再在160-180℃条件下,用2-6%(w/w)亚硫酸钠溶液处理这些固体纤维0.5-2小时,过滤,洗涤,得到白色纤维素;
(3)在4℃温度下,采用20-40%氯化铵饱和溶液,沉淀纤维素酶制剂溶液,在4℃下静置3-6小时,然后在4℃、8000rpm条件下离心分离,取其上清液,并将其中硫酸铵饱和度调节至60%,放置于4℃冰箱中静置过夜,在4℃、8000rpm条件下离心分离,去除去上清液,并用蒸馏水洗涤所得沉淀物三次,每次用与沉淀物等体积的去离子水洗涤,得到的沉淀物即为内切纤维素酶;
(4)在温度50℃、pH=4.8下,用步骤(3)中分离得到的内切纤维素酶处理步骤(2)中的纤维素,浆料固液比1:30-60,内切纤维素酶用量为30-45IU/g纸浆纤维,处理时间20-24小时。酶处理之后,过滤,并用去离子水洗涤三次,每次去离子水用量等于酶处理时总体积;
(5)室温下,高压均质处理处理步骤(4)中所得纤维素,处理时浆料中纤维素含量为1-2%(w/w),操作压强为800-100bar,循环3-5次,然后在4℃、11000rpm条件下,离心除去一定量的水分;
(6)取步骤(5)中部分纳米纤维素,配置成浓度为3-5%纳米纤维素悬浮液,进一步超声分散成胶体状。将其滴入浓度为0.20-0.50mol/L的二价盐溶液中,静置8-12小时,获得直径为4-8mm的近似球形颗粒状的纳米纤维素水凝胶,过滤,分别置于两倍于纳米纤维素水凝胶体积的25%、50%、95%的乙醇溶液中12-24小时,过滤得到纳米纤维素醇凝胶颗粒;
(7)将步骤(6)中所得的纳米纤维素醇凝胶颗粒与胺基硅烷的乙醇溶液相混合,置于旋转的耐压水热釜反应器内进行改性反应。反应条件:反应温度120℃,在该温度下保温10-16小时,胺基硅烷的乙醇溶液中胺基硅烷的浓度2-8%,胺基硅烷的乙醇溶液的体积为纳米纤维素醇凝胶体积的1-3倍,旋转速度为1-4rpm。反应完成后,迅速地用自来水冷却反应釜半小时,然后过滤,得到胺基化纳米纤维素颗粒;
(8)将将步骤(7)中得到的胺基化纳米纤维素颗粒放入超临界萃取釜中,在35-60℃,压强为35-65MPa下,萃取20-60分钟,得到胺基化纳米纤维素气凝胶颗粒为二氧化碳吸附材料。
实施例1
用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法,包括如下工艺步骤:
(1)将人工林杨树、桉树等速生木材粉碎至30目;
(2)在90℃条件下,用8%(w/w)的氢氧化钠溶液处理步骤(1)中已经粉碎的植物纤维原料6小时,过滤,洗涤,得到固体纤维。然后,再在160℃条件下,用2%(w/w)亚硫酸钠溶液处理这些固体纤维0.5小时,过滤,洗涤,得到白色纤维素;
(3)在4℃温度下,采用20%氯化铵饱和溶液,沉淀纤维素酶制剂溶液,在4℃下静置3小时,然后在4℃、8000rpm条件下离心分离,取其上清液,并将其中硫酸铵饱和度调节至60%,放置于4℃冰箱中静置过夜,在4℃、8000rpm条件下离心分离,去除去上清液,并用蒸馏水洗涤所得沉淀物三次,每次用与沉淀物等体积的去离子水洗涤,得到的沉淀物即为内切纤维素酶;
(4)在温度50℃、pH=4.8下,用步骤(3)中分离得到的内切纤维素酶处理步骤(2)中的纤维素,浆料固液比1:30,内切纤维素酶用量为30-45IU/g纸浆纤维,处理时间20小时。酶处理之后,过滤,并用去离子水洗涤三次,每次去离子水用量等于酶处理时总体积;
(5)室温下,高压均质处理处理步骤(4)中所得纤维素,处理时浆料中纤维素含量为1%(w/w),操作压强为800bar,循环3-5次,然后在4℃、11000rpm条件下,离心除去一定量的水分;
(6)取步骤(5)中部分纳米纤维素,配置成浓度为3-5%纳米纤维素悬浮液,进一步超声分散成胶体状。将其滴入浓度为0.20mol/L的二价盐溶液中,静置8小时,获得直径为4mm的近似球形颗粒状的纳米纤维素水凝胶,过滤,分别置于两倍于纳米纤维素水凝胶体积的25%、50%、95%的乙醇溶液中12小时,过滤得到纳米纤维素醇凝胶颗粒;
(7)将步骤(6)中所得的纳米纤维素醇凝胶颗粒与胺基硅烷的乙醇溶液相混合,置于旋转的耐压水热釜反应器内进行改性反应。反应条件:反应温度120℃,在该温度下保温10小时,胺基硅烷的乙醇溶液中胺基硅烷的浓度2-8%,胺基硅烷的乙醇溶液的体积为纳米纤维素醇凝胶体积的1-3倍,旋转速度为1rpm。反应完成后,迅速地用自来水冷却反应釜半小时,然后过滤,得到胺基化纳米纤维素颗粒;
(8)将将步骤(7)中得到的胺基化纳米纤维素颗粒放入超临界萃取釜中,在35℃,压强为35MPa下,萃取20分钟,得到胺基化纳米纤维素气凝胶颗粒为二氧化碳吸附材料。
实施例2
用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法,包括如下工艺步骤:
(1)将人工林杨树、桉树等速生木材粉碎至50目;
(2)在90℃条件下,用12%(w/w)的氢氧化钠溶液处理步骤(1)中已经粉碎的植物纤维原料9小时,过滤,洗涤,得到固体纤维。然后,再在180℃条件下,用6%(w/w)亚硫酸钠溶液处理这些固体纤维2小时,过滤,洗涤,得到白色纤维素;
(3)在4℃温度下,采用40%氯化铵饱和溶液,沉淀纤维素酶制剂溶液,在4℃下静置6小时,然后在4℃、8000rpm条件下离心分离,取其上清液,并将其中硫酸铵饱和度调节至60%,放置于4℃冰箱中静置过夜,在4℃、8000rpm条件下离心分离,去除去上清液,并用蒸馏水洗涤所得沉淀物三次,每次用与沉淀物等体积的去离子水洗涤,得到的沉淀物即为内切纤维素酶;
(4)在温度50℃、pH=4.8下,用步骤(3)中分离得到的内切纤维素酶处理步骤(2)中的纤维素,浆料固液比1:60,内切纤维素酶用量为45IU/g纸浆纤维,处理时间24小时。酶处理之后,过滤,并用去离子水洗涤三次,每次去离子水用量等于酶处理时总体积;
(5)室温下,高压均质处理处理步骤(4)中所得纤维素,处理时浆料中纤维素含量为2%(w/w),操作压强为100bar,循环5次,然后在4℃、11000rpm条件下,离心除去一定量的水分;
(6)取步骤(5)中部分纳米纤维素,配置成浓度为3-5%纳米纤维素悬浮液,进一步超声分散成胶体状。将其滴入浓度为0.50mol/L的二价盐溶液中,静置12小时,获得直径为8mm的近似球形颗粒状的纳米纤维素水凝胶,过滤,分别置于两倍于纳米纤维素水凝胶体积的25%、50%、95%的乙醇溶液中24小时,过滤得到纳米纤维素醇凝胶颗粒;
(7)将步骤(6)中所得的纳米纤维素醇凝胶颗粒与胺基硅烷的乙醇溶液相混合,置于旋转的耐压水热釜反应器内进行改性反应。反应条件:反应温度120℃,在该温度下保温16小时,胺基硅烷的乙醇溶液中胺基硅烷的浓度8%,胺基硅烷的乙醇溶液的体积为纳米纤维素醇凝胶体积的1-3倍,旋转速度为4rpm。反应完成后,迅速地用自来水冷却反应釜半小时,然后过滤,得到胺基化纳米纤维素颗粒;
(8)将将步骤(7)中得到的胺基化纳米纤维素颗粒放入超临界萃取釜中,在60℃,压强为65MPa下,萃取60分钟,得到胺基化纳米纤维素气凝胶颗粒为二氧化碳吸附材料。
实施例3
用速生木材制造二氧化碳吸附材料的方法,包括如下工艺步骤:
(1)将人工林杨树、桉树等速生木材粉碎至40目;
(2)在90℃条件下,用10%(w/w)的氢氧化钠溶液处理步骤(1)中已经粉碎的植物纤维原料7小时,过滤,洗涤,得到固体纤维。然后,再在170℃条件下,用4%(w/w)亚硫酸钠溶液处理这些固体纤维1.5小时,过滤,洗涤,得到白色纤维素;
(3)在4℃温度下,采用20-40%氯化铵饱和溶液,沉淀纤维素酶制剂溶液,在4℃下静置4小时,然后在4℃、8000rpm条件下离心分离,取其上清液,并将其中硫酸铵饱和度调节至60%,放置于4℃冰箱中静置过夜,在4℃、8000rpm条件下离心分离,去除去上清液,并用蒸馏水洗涤所得沉淀物三次,每次用与沉淀物等体积的去离子水洗涤,得到的沉淀物即为内切纤维素酶;
(4)在温度50℃、pH=4.8下,用步骤(3)中分离得到的内切纤维素酶处理步骤(2)中的纤维素,浆料固液比1:45,内切纤维素酶用量为35IU/g纸浆纤维,处理时间22小时。酶处理之后,过滤,并用去离子水洗涤三次,每次去离子水用量等于酶处理时总体积;
(5)室温下,高压均质处理处理步骤(4)中所得纤维素,处理时浆料中纤维素含量为1-2%(w/w),操作压强为900bar,循环4次,然后在4℃、11000rpm条件下,离心除去一定量的水分;
(6)取步骤(5)中部分纳米纤维素,配置成浓度为4%纳米纤维素悬浮液,进一步超声分散成胶体状。将其滴入浓度为0.30mol/L的二价盐溶液中,静置10小时,获得直径为6mm的近似球形颗粒状的纳米纤维素水凝胶,过滤,分别置于两倍于纳米纤维素水凝胶体积的25%、50%、95%的乙醇溶液中10小时,过滤得到纳米纤维素醇凝胶颗粒;
(7)将步骤(6)中所得的纳米纤维素醇凝胶颗粒与胺基硅烷的乙醇溶液相混合,置于旋转的耐压水热釜反应器内进行改性反应。反应条件:反应温度120℃,在该温度下保温13小时,胺基硅烷的乙醇溶液中胺基硅烷的浓度5%,胺基硅烷的乙醇溶液的体积为纳米纤维素醇凝胶体积的1-3倍,旋转速度为3rpm。反应完成后,迅速地用自来水冷却反应釜半小时,然后过滤,得到胺基化纳米纤维素颗粒;
(8)将将步骤(7)中得到的胺基化纳米纤维素颗粒放入超临界萃取釜中,在40℃,压强为50MPa下,萃取30分钟,得到胺基化纳米纤维素气凝胶颗粒为二氧化碳吸附材料。