[发明专利]木质纤维材料制备纤维素及羧甲基纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纤维素及羧甲基纤维素的方法，特别是从含木质纤维的植物中分离木质素与纤维素和制备高纯度羧甲基纤维素的方法。

背景技术

木质纤维类材料，如各种农业残余物(玉米秸杆、麦秸杆、稻谷壳、稻草和玉米芯等)、林业残余物(伐木产生的枝叶、死树、病树等)、野草、芦苇、专门栽培的作物(如松、杉、杨、柳、枫、甘蔗、甜菜、甜高梁等)以及各种废弃物(城市固体垃圾、废纸、制糖生成的蔗渣等)，都是纤维素、半纤维素和木质素等聚合物的复合物，是世界上存在最广泛的可再生性生物质资源。目前，这部分资源尚未得到充分的开发利用，有些还造成污染，如秸秆、稻草就地焚烧、农产品加工业排放废物、城市丢弃有机垃圾等。如能利用生物技术等手段，进行有效利用，将其中一部分转化为燃料、饲料、化工原料、药用辅料、食用添加剂等，即可望对资源不足等难题的解决做出巨大贡献。

木质纤维类材料的三种主要成分：纤维素、半纤维素和木质素都有不同的用途，如纤维素可以作为药用纤维素衍生物的原材料，酶解、微生物发酵、制造酒精的基质成分；半纤维素作为微生物发酵生产木糖醇的基质；木质素作为合成芳香族化合物的原料等。

但是，木质纤维类材料中，这三种成分聚合为一个整体。木质素又名木素，是木质纤维类材料由许多苯丙烷为基本单位构成的大分子，木质纤维类材料中的木质素大部分存在于胞间层中，即分布在纤维素的四周，木质素和半纤维素形成牢固结合层，包围着纤维素。因此，要将三者分别利用，就必须将三者分离开来。木质纤维原料组分分离对于木质纤维原料综合利用是必要的。

造纸工业的制浆过程与分离木质素与纤维素过程基本一致。沿用制浆过程中的强酸或强碱在高温下溶解木质素的方法。会耗用大量能源和化工原料，并且造成资源浪费和环境污染。

中国专利CN1522324公开了一种在碱性组分、高温高压下，用亚硫酸盐使木质素脱离纤维素的方法，其缺点是排放废液中有亚硫酸盐，易造成环境污染。

一般认为，有机溶剂法是目前较好的木质素与纤维素分离技术，是实现无污染或低污染“绿化环保”造纸的有效技术途径(廖俊和，纤维素科学与技术，2003，11(4)：60；Tyson.美国专利US5705216；Fogarassy.美国专利US4135967；Diebold.美国专利US4100016；Roberts.美国专利US4746401；Vandemoek.美国专利US4178861；Dehaas.美国专利US3951734)。有机溶剂法充分利用有机溶剂良好的溶解性和易挥发性，有机溶剂分离或溶解木质素，达到木质素与纤维素的高效分离，然后可以通过蒸馏来回收有机溶机，反复循环利用，无废水或少量废水排放，形成一个封闭循环的系统，而且通过蒸馏可以提纯木质素，得到高纯度的有机木质素。Black等使用丙酮与乙醇的有机复合溶剂，以少量无机酸为催化剂，蒸煮2h，可以分离出非常纯的木质素和纸浆(Black.美国专利US5730837)。Paszler研究发现，丙酮与水的混合液在少量无机酸，如盐酸、硫酸的催化作用下，温度200℃，溶液循环六次，几乎可以得到理论量的木质素(Paszler Laszlo.美国专利US4409032)。方华书等利用高沸醇(1，4-丁二醇)溶剂，在温度190-220℃下，蒸煮1-1.5h，可以使甘蔗渣中的纤维素与木质素分离，同时得到纤维素和高化学活性的木质素(方华书等，甘蔗，2002，9(4)：15-19)。

但是，由于木质素与纤维素、半纤维素之间形成有键连接，仅用有机溶剂提取木质素，纤维素的纯度不够，且得率较低，而采用两种或两种以上的方法组合，效果得到改善。如将汽爆技术与乙醇萃取能组合起来，先汽爆处理，回收半纤维素，同时木质素的结构中的a-丙烯醚键和部分β-丙烯醚键部分裂开，然后用乙醇萃取抽提出木质素。但单靠汽爆处理物理作用，不能彻底将木质素与纤维素和半纤维素的键连接全部断开，于是，有机溶剂抽提木质素仍然不完全，得到的纤维素纯度虽可达85-90％，但仍然达不到药用和食品添加剂的要求。

胡杰等采用微波辐射技术，从麦草中提取木质素，但过程中没有使用醇等有机溶剂和过氧化氢(化工技术与开发，2006年08期)。

CN101092435公开了一种方法，采用微波与超声波同时作用，强化分解，以20体积％～70体积％浓度的有机溶剂水溶液，分解提取生物质中木质素和纤维素组分。该方法没有使用过氧化氢，工艺较复杂，需要同时使用超声波和微波，工业化大生产难度较大。