[发明专利]一种在离子溶液中的电氧化水热木质纤维素转化方法及其装置

说明书

技术领域

    本发明涉及一种及将木质纤维素转化成能够被利用的石油化工副产品的转化方法。

背景技术

随着石油资源的日益紧缺，以及相关石化产品所带来的环境问题，人们将可再生的资源的替代和研究上。生物质以其独特的可再生性引起了人们的广泛关注。生物质主要包括薪炭林、经济林、用材林、农作物秸秆、林业加工残余物和各类有机垃圾等。其中，以木质纤维素为代表的可再生生物质是生物质中资源量最大而利用率最低的一类。

木质纤维素由纤维素、半纤维素、木质素三大类组成。但是现今对木质纤维素的利用相当有限，主要原因是木质纤维素结构的复杂性以及其在大部分溶剂中的难溶性。最近几年，对于木质纤维素的全溶体系体系的研究走入研究人员的视野。该体系的特点是能够破坏物质纤维素中各分子间的氢键，从而导致其溶解。木质纤维素的全溶体系主要包括有机溶剂全溶体系和离子液体全溶体系。由于有机溶剂毒性和挥发性，使得离子液体全溶体系得到了更多的关注。

离子液体不挥发，对水和空气稳定，并且对木质纤维素有着较好的溶解性能，是一类较好的绿色溶剂。将离子液体用于木质纤维素的加工和溶解木质纤维素有着广泛的应用前景。尤其是1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）作为木质纤维素的溶剂，有着很好的工业应用前景。[ BMIM] Cl 溶解木质纤维素的机理可解释为[BMIM] Cl中的氯离子与木质纤维素分子上的羟基形成了氢键，从而打断了连接木质纤维素大分子间的氢键，促使其在离子液体中溶解。不过由于水分子和纤维素大分子在和氯离子形成氢键时相互竞争，因此有文献指出当含水率较大时，[BMIM] Cl溶解纤维素的能力大大降低。因此，目前对纤维素在离子液体中的溶解绝大多数都是采用纯的离子液体直接加热溶解木质纤维素。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种成本低且环保的在离子溶液中的电氧化水热木质纤维素转化方法；

本发明的另一目的是提供一种在离子溶液中电氧化水热木质纤维素的装置。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

    一种在离子溶液中的电氧化水热木质纤维素转化方法，以金刚石电极作为电氧化工作电极，在离子溶液中，采用电氧化水热的方法转化木质纤维素为可利用的石油化工副产品。

具体操作包括以下步骤：

1)将离子溶液置于反应装置中，首先预热到反应所需要的温度，选取高氧化性的掺硼金刚石电极为工作电极，也为阳极，对电极为Pt片惰性电极，也为阴级；

2)在阳极和阴机间施加电压，在恒电流在恒电流状态下，使电氧化水热反应得以进行，直至木质纤维素完全转化。

    作为优选方案，上述的在离子溶液中的电氧化水热木质纤维素转化方法，离子溶液体积为200-450ml，阳极电极和阴极电极的面积均为15-80cm²，阳极电极与阴极电极的间距为1.5-2cm，电流密度为5-20mA/cm²，温度为40-100℃。

    进一步优选的，阳极电极和阴极电极的面积均为20cm²，阳极电极与阴极电极的间距为2cm，电流密度为10mA/cm²。

    优选的，电氧化水热反应3h。

    优选的，所述离子溶液采用[BMIM]CI离子溶液。

本发明通过显微镜观察木质纤维素在离子溶液中转化的情况，并利用产物萃取和气相色谱-质谱联用技术确定木质纤维素在离子液体中的转化产物。

上述确定产物萃取和气相色谱-质谱联用技术检测条件为：

萃取液：乙酸乙酯

检测器：三重四级杆质谱检测器；

采用气相色谱质谱联用方法，采取全扫描模式，确定可能的目标产物，对纤维素和木质素的转化产物进行分析，确认该过程是纤维素和木质素的转化而不是溶解；并用质谱对各成分进行质谱解析。

上述分析方法优选方案为：

产物分析萃取方法为：反应后取50mL溶液，向分液漏斗中加入30mL乙醚:乙酸乙酯=1:1，剧烈振荡10min，分层，保留上层有机层；重复萃取三次，有机相溶液存于磨口锥形瓶中；加入一定量无水硫酸钠，静置过夜；将有机相溶液旋转蒸发浓缩定容至1mL，进行气相色谱－质谱（GC-MS）分析；