[发明专利]一种辐照-化学法联合处理植物纤维性农业废弃物的方法及其系统

说明书

本发明提供了一种辐照‑化学法联合处理植物纤维性农业废弃物的方法，包括以下步骤：首先将植物纤维性农业废弃物进行预处理，再进行动态辐照后进行粉碎处理，称取前步处理后的废弃物，投入反应器中，加入溶剂进行反应，真空抽滤得到滤液A和滤渣，滤渣洗净烘干即得纤维素，再将滤液A减压浓缩后向浓缩液中加入蒸馏水使木质素沉淀析出，过滤后得到滤液B和滤渣，滤渣洗净烘干即得木质素，滤液B减压浓缩后，收集即得木糖。本发明还提供了一种辐照‑化学法联合处理植物纤维性农业废弃物的系统。本发明提供的方法中各步骤所使用的试剂如甲酸等，常见易得，成本低，易于大规模推广应用，和现有技术相比提高了生产效率，是一种绿色环保的处理方法。

技术领域

本发明属于生物质资源利用技术领域，具体涉及一种辐照-化学法联合处理植物纤维性农业废弃物的方法及其系统。

背景技术

植物纤维性农业废弃物是指含有丰富纤维素的可再生和再利用的废弃物，主要包括农作物秸秆，如玉米秸秆、水稻秸秆、油菜秸秆等，还包括农产品加工的副产物，如茶籽壳、蔗渣、玉米芯、棉籽壳等。我国农业废弃物资源非常丰富，每年产生的农业废弃物资源多达数亿吨。目前对于此类资源多采用堆放、焚烧处理，这不仅造成资源浪费，还严重污染环境。丰富的农业废弃物是宝贵的可再生资源，“用则利，弃则害”，加快推进农业废弃物综合利用，对于稳定农业生态平衡、缓解资源约束、减轻环境压力都具有十分重要的战略意义。

植物纤维性农业废弃物原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素是由葡萄糖分子通过β-1，4-糖苷键连接而形成的葡聚糖，常温下不溶于水及一般有机溶剂如乙醇、乙醚、丙酮等，也不溶于稀碱溶液。半纤维素是由几种不同类型的五碳糖和六碳糖构成的异质多聚体，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖等。木质素是聚酚类的三维网状高分子化合物，其基本结构单元为苯基丙烷，共有三种基本结构，即愈创木基、紫丁香基和对羟苯基，木质素是一种聚合体，结构中存在很多极性基团，尤其是较多的羟基，形成了很强的分子内和分子间氢键，使木质素不溶于一般的溶剂。由于以上原因，植物纤维性农业废弃物具有天然抗生物降解的屏障，因此需要经过一定的处理才能将纤维素、半纤维素和木质素三组分分开再加以利用。

目前，常用的预处理方法有物理法、化学法、物理化学法和生物法等。其中物理法中高能辐射就是采用γ射线、电子束穿透材料，激发木质纤维素分子产生自由基，最终导致材料结构破坏、比表面积增加、纤维素分子断链解聚、结晶度下降，从而提高材料反应程度。与其他预处理方法相比，辐照预处理具有处理效果好、条件温和、对环境友好，易于实现连续化生产等优点。有研究发现辐照处理微晶纤维素和木聚糖理化性能的变化，处理后纤维素和木聚糖发生降解，热稳定性和反应活化能降低，说明辐照处理后的木质纤维素材料更易发生反应。但是目前将辐照方法应用于木质纤维素三大组分分离前的预处理，报道较少。木质纤维素分离研究较多的方法有：酸法、碱法、有机溶剂法和离子液体法等。常见的酸法主要使用稀酸(如2％的H₂SO₄)，反应温度高，对设备腐蚀严重，且不能脱出木质素。常见碱法处理的试剂有NaOH、Ca(OH)₂、NaHCO₃等，用稀NaOH溶液对桔杆原料进行处理，可使原料得到润胀，从而增加其内部表面积，降低纤维素的聚合度和结晶度，同时可将木质素与碳水化合物分离，碱法预处理对反应器的要求不像酸法那样苛刻，因而反应器的设备投资比酸法的低，但反应时间长。酸法和碱法均存在着对环境污染的问题。有机溶剂分离法，利用有机或含水有机溶剂混合物加无机酸催化剂来破坏内部木质素与半纤维素的化学键，常用的有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、乙三烯乙二醇和四氢糠醇，有机溶剂法最早开始于造纸行业，具有分离效率高、木质素结构变化小等优点，但同时存在腐蚀和毒性等问题的限制，容易造成环境污染。