[发明专利]基于水热耦合低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质的转化方法

说明书

本发明公开了一种基于水热耦合低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质的转化方法，基于绿色高效的水热耦合低共熔溶剂两步法预处理手段选择性分离出半纤维素、纤维素和木质素。此分离所得的三大组分具有结构完整、生物兼容性好和可利用价值高等优点。其中将半纤维素、纤维素和木质素分别制备成高价值的生物基纳米材料：高比表面积(2000)的碳纳米材料，高结晶度(70％)、高纵横比(140)的木质纤维素纳米纤维和粒径低至100nm具有核壳结构的木质素纳米球。实现了低值木质纤维废弃物到高价值纳米材料平台的全组分转化，并进一步探索了所制备纳米材料的优良性能，为其产业化应用开辟了新途径。

技术领域

本发明属于生物质材料转化与应用技术领域，涉及一种基于水热耦合低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质的转化方法，具体为选择性分离木质纤维素全组分纳米材料转化的工艺。

背景技术

中国作为传统的农业大国，在农林生产过程中不可避免的产生巨大数量、种类丰富的农林废弃物。这些农林废弃物主要成分是木质纤维素，其是地球上最丰富的可再生资源、化学品和材料，但是大部分农林废弃物只是依靠焚烧和填埋进行处理，未被合理的开发和利用。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素，将其主要成分进行高效分离，是实现多元化，高值化生物精炼的基础。因此，探究一套绿色、高效的预处理体系，选择性分离木质纤维素三大组分，是实现三大组分的高价值纳米材料转化的基础。近年来，低共熔溶剂(deep eutectic solvent)预处理作为一共绿色、高效、易合成的离子液体越来越受到研究者的关注。低共熔溶剂通常由一定化学计量比的氢键受体(如季铵盐)和氢键供体(如酰胺、羧酸和多元醇等)组合在一定的温度下反应生成低共熔混合物。它和离子液体具有相似的物理化学性质，如低挥发性、不可燃性等，其对生物质组分有着良好的溶解特性，尤其对木质素的溶解和分离。

碳纳米材料是指分散至少有一维小于100nm的结构型碳材料，主要包括富勒烯、纳米碳管、石墨烯和纳米介孔碳等。纳米碳材料具有稳定性好、强度高、比表面积高和来源丰富等特点，是最具发展潜力的纳米材料；纳米纤维素以其优异的可降解性、生物相容性、热稳定性、比表面积、易交织成网、高强度、光学透明性、机械稳定性与增稠性等，被广泛应用与各领域，市场前景广泛；木质素纳米球是一种具有规整结构的微纳米木质素，其主要应用于药物载体、紫外防护和纳米填料等方面。尽管目前已有一些关于木质纤维素基纳米材料制备的报道，但是大多数制备材料目标产物单一，产生了木质纤维素副产物的二次污染，难以实现资源材料的全利用。目前本发明采用水热协同DES预处理选择性分离木质纤维三大组分，实现木质纤维素的全组分纳米材料转化尚未有报告。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种绿色高效木质纤维素预处理手段，选择性分离木质纤维素三大组分，该方法绿色可持续、成本低廉，且能够实现后端三大组分的碳纳米材料、木质纤维素纳米纤维和木质素纳米球的同步制备，实现了废弃生物质全组分纳米材料的资源转化。

为了达到上述技术目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种基于水热耦合低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质的转化方法，包括以下步骤：

1)将风干的木质纤维素类生物质切碎蒸煮水热处理，添加稀硫酸做催化剂反应，分离得到半纤维素滤液；

2)分离所得固体与酸性低共熔溶剂混合加热反应，过滤后固体用去离子水洗至中性得到纤维素固体组分；在滤液中加入丙酮/水混合液，絮凝沉淀得到木质素；

3)将半纤维素的水解液水热碳化，所得焦炭经与KOH混合研磨经高温活化制得碳纳米材料；

4)将纤维素的悬浮液经研磨、超声破碎处理得木质纤维素纳米纤维素；

5)将木质素溶解于γ戊内酯溶剂中，加入甘油，搅拌形成木质素乳液，置于SPG膜乳化器压力罐，制备得到木质素微纳米球。