[发明专利]基于扩散渗析和电渗析串联组合的CNC水解酸循环工艺

说明书

本发明提供一种基于扩散渗析和电渗析串联组合的CNC水解酸循环工艺，具体步骤为：制备纤维素纳米晶酸水解原液，分离后分别收集纤维素纳米晶水解液和废酸；将分离得到的废酸稀释；通过泵将稀释后的废酸注入扩散渗析装置，收集扩散酸液与残液；再将残液再泵入电渗析装置，循环运行，收集浓缩酸液；将扩散酸液和浓缩酸液分别与对应无机浓酸混合，制备中浓度无机酸，实现CNC制备工艺中酸的循环使用。本发明的目的在于将溶解在无机酸中的糖等有机物分离出来，实现废酸的循环利用。通过设计扩散渗析和电渗析组合的方式，能够回收99%以上的硫酸，获得大部分的糖，实现硫酸的循环利用。本方法操作简便，易于工业放大；成本低，能耗低；环境友好，污染物少。

技术领域

本发明属于废酸回收技术领域，特别是涉及制备纤维素纳米晶过程中水解液中酸的分离，降低制备成本从而实现大规模的纤维素纳米晶的绿色低成本制备。

背景技术

纤维素纳米晶（CNC）是一种高比表面积、轻质、低密度、机械性能优异可再生、可降解、生物相容性好、结晶度高的刚性棒状纳米材料，具有良好的亲水性和表面化学修饰性质。直径在3-50纳米，长度在几十到几百纳米。纳米纤维素由于其良好的物化性能与生态性能，近年来被广泛应用于医学、电子，建筑、食品、涂料等领域。纳米纤维素市场预计将从2017年2.7126亿美元增长到2025年的10.7643亿美元，在此期间的复合年增长率为18.80%。

纤维素纳米晶制备涉及的硫酸水解法由于操作简便，易于放大，是目前工业上制备纤维素纳米晶最常用的方法，通过高浓度无机酸将纤维素原料中的无定形区和次结晶区水解，保留其结晶区，得到的产品热稳定性好，具有良好的胶体稳定性。但是由于水解反应之后加水猝灭反应，由此产生了大量的稀酸废液，需要用价格相对较高的氢氧化钠来中和，不仅导致生产成本过高，而且大量盐的产生增加了产品分离提纯阶段的能耗与水耗；此外，还存在诸多其他问题，例如耗水量大、耗时长、对设备造成腐蚀、废物排放量大、环境污染等。

除了利用碱中和的方式处理水解液中的酸之外，还可利用静置、离心和微滤法直接将水解液中的酸进行分离，但分离后的酸在重新利用之前还需进行处理。工业上针对废酸的分离技术包括浓缩法、高温裂解法等，但在实际运行中成本较高，操作较为复杂，且回收效率较低，得到的酸液品质不高。膜分离技术是一种使用半透膜的分离方法，借助膜的选择渗透作用对废酸中双组分或多组分进行分离、分级提纯和富集，达到废酸分离的目的。

目前单一的膜分离技术常温下分离效率不高，分离效率取决于分离膜的属性和质量，膜的维护成本较高，在实际工业应用中仍存在较多工艺技术和经济成本问题。膜分离技术是未来废酸回收的重要方向，目前该技术的研究尚处于实验阶段，工业化不够成熟，如何有效降低技术成本，提升废酸分离效率是当前亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明旨在提供一种基于扩散渗析和电渗析串联组合的CNC水解酸循环工艺，将溶解在废酸中的糖等有机物分离出来，实现无机酸的循环利用。通过设计扩散渗析和电渗析组合的方式，能够回收99%以上的酸，同时获得大部分糖，实现无机酸的循环利用。

本发明的技术解决方案：

基于扩散渗析和电渗析串联组合的CNC水解酸循环工艺，其具体步骤为：

1）将纤维素原料加入无机酸中搅拌，得到纤维素纳米晶酸水解原液，分离后分别收集纤维素纳米晶水解液和废酸；

2）将废酸泵入扩散渗析装置，分别收集扩散酸液与残液；

3）将步骤2）收集的所述残液泵入电渗析装置，循环运行，收集浓缩酸液；

4）将所述扩散酸液和所述浓缩酸液分别与对应高浓度无机酸混合，制备中浓度无机酸循环使用。

作为优选方案，对步骤2）的废酸预处理稀释，将废酸中无机酸浓度稀释至4wt%-16wt%。