[发明专利]一种分离生物质的溶剂及其在生物质选择性分离中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种对生物质清洁温和分离和转化的溶剂体系和方法，特别是涉及一种分离生物质的溶剂及其在生物质选择性分离中的应用。

背景技术

随着石油资源的日益匮乏，生物质(Biomass)成为石油最重要的替代资源之一。生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，纤维素镶嵌其中，通过氢键与半纤维素和木质素联系。纤维素和半纤维素都是重要的化工原料，可以改性转化，或者将其水解、发酵制取乙醇，而木质素是可再生资源中酚类的唯一来源。要将这三种组分分离，就要打断半纤维素和木质素之间的共价键，破坏纤维素和另外两者间的氢键链接。传统的酸碱法可以对生物质组分进行分离，但污染严重，且对生物质组分化学结构的改变较大，后期利用困难；有机溶剂分离法清洁环保，是一种很有潜力的分离方法，但对于木质素的脱除效果不好，部分木质素吸附在纤维素表面阻碍纤维素的后续处理。因此，开发一种清洁环保，条件温和，且能高效分离生物质三种组分的方法变得非常重要和紧迫。但这种方法和体系还未有报道。

发明内容

本发明的目的是在有机溶剂分离法的基础上，利用离子液体这一新型溶剂，开发一种清洁温和分离生物质的溶剂体系和方法。

传统的有机溶剂分离法是将有机溶剂与水混合，有机溶剂比例为50v％～80v％，温度190～230℃。在反应之初，半纤维素中的乙酰基通过水解释放出来，合成乙酸，降低了溶液的PH值，使得半纤维素快速水解，少量纤维素也被水解。木质素在酸性条件下发生水解，醚键断裂，分子量降低，被有机溶剂所溶解；当PH值降到一定程度以后，纤维素大分子也开始水解，此为“纤维素点”。在纤维素大量水解前结束反应就可以将纤维素固态分离，但由于纤维素中大量羟基的存在，纤维素分子间和分子外的氢键能力很强，会对木质素等产生较强吸引力，而一般有机溶剂并不能破坏这种氢键，所以有机溶剂溶解法获得的纤维素一般纯度不超过87％，所吸附的木质素对于纤维素的后续利用是不利的。纤维素表面吸引木质素的氢键键能大于有机溶剂和水的氢键键能，而纤维素分子间的氢键能力更大，而这种氢键能力的差别就可以作为选择性分离的依据，即调节溶剂键能使其大于纤维素与木质素的吸附键能而小于纤维素分子间键能，就可以将木质素从纤维素表面脱除而保留高纯纤维素，而调节溶剂氢键能力达到纤维素分子间氢键键能就可以将纤维素也溶解。这就是本发明的理论依据。所以必须在原有的有机溶剂混合液中加入一种强氢键体系，离子液体是一种很好的选择。

本发明的方法就是在原有的有机溶剂水溶液中加入与水和有机溶剂无限混溶的咪唑类离子液体，依据溶解和氢键理论对混合溶剂进行设计(design)，通过控制各组分的加入比例控制混合溶剂的溶度参数和氢键强度，使其可选择性的溶解或保留纤维素，并使半纤维素和木质素水解，木质素可通过加水沉淀，这样即可对生物质的各组分进行逐步分离，分离效果好，纯度高。

一种分离生物质的溶剂，由离子液体、有机溶剂和水组成。

所述离子液体为1-丁基-3甲基咪唑溴、1-乙基-3甲基咪唑溴、1-丙烯基-3甲基咪唑溴、1-丁基-3甲基咪唑氯、1-乙基-3甲基咪唑氯或1-丙烯基-3甲基咪唑氯。

所述有机溶剂为甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、二氧六环或四氢呋喃中的一种或两种以上；水为去离子水。

所述离子液体与有机溶剂的体积比为3∶7～4∶6；去离子水的体积为离子液体体积的20～100％。

所述离子液体与有机溶剂的体积比为5∶5～9∶1，去离子水的体积为离子液体体积的20～100％。

所述的溶剂在生物质选择性分离中的应用，包括以下步骤；

(1)将生物质粉碎至40～60目；

(2)将权利要求1所述溶剂与生物质混合，在150～190℃，搅拌反应40～150分钟后，冷却；

(3)过滤，滤渣在105℃下干燥24小时，即得纤维素；滤液加入相当于体积10倍的去离子水，二次过滤分离；滤渣为木质素，干燥备用；滤液中包括离子液体以及半纤维素降解产物；即将生物质三种组分选择性分离。

所述溶剂中离子液体与有机溶剂的体积比为3∶7～4∶6；去离子水的体积为离子液体体积的20～100％，优选：20～30％。

所述半纤维素降解产物在离子液体中继续水解、脱水并制成糠醛类产品。

所述的溶剂在分离生物质中木质素的应用，包括以下步骤；

(1)将生物质进行粉碎，颗粒为40～60目；

(2)将权利要求1所述溶剂与生物质混合，在150～190℃，搅拌反应40～150分钟后，冷却；