一種解聚纖維素的方法
2023-06-08 21:44:21
專利名稱：一種解聚纖維素的方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及氧化纖維素，具體地說是一種解聚纖維素的方法，更進
步說是一種解聚纖維素的電化學方法。
背景技術：
纖維素是由D-葡萄糖以P-l，4-苷鍵相聯結而成，結構如下(其中n表示纖維素的聚合度)
formula see original document page 3 到目前為止，人們已經比較詳細地研究了纖維素的結構與性質，掌握了纖維素降解的過程。CN1696158提出一種用於降解纖維素的反膠束方法，首先將纖維素酶溶解於緩衝液得到緩衝液A ;其次配備含有表面活性劑的有機溶液B ;第三是將溶液A與溶液B均勻混合，形成溶液C ;第四是待溶液C形成均勻透明體系後，加入微晶纖維素；第五是加入10倍
於溶液A體積的磷酸緩衝液和與溶液C等體積的萃取劑，劇烈震蕩後離心使溶液分層，取出上層溶液即為降解產物葡萄糖溶液。CN101238197公開一種熱解木質纖維素的方法，其方法包括先機械粉碎木質纖維素成為木質纖維素顆粒，完全乾燥和/或預熱木質纖維素顆粒，再與導熱顆粒成為混合物，在熱解反應器內絕氧條件下通過導熱顆粒加熱木質纖維素顆粒使之反應生成熱解焦炭、熱解冷凝物和熱解氣。CN1934249披露一種降解木質素纖維素材料的方法，其包含在至少一種選自仲醇乙氧基化物、脂肪醇乙氧基化物、壬基酚乙氧基化物、十三烷基乙氧基化物和聚氧乙烯醚等表面活性劑存在的條件下，用有效量的一種或多種纖維素分解酶處理木質素纖維素材料。 上述已有技術對纖維素降解的處理方法都是將纖維素大分子變成其他小分子，其存在的主要缺點有需要消耗大量的有機物，後續大量廢水的處理不僅大大增加了產品的生產成本，還會導致環境汙染；反應條件苛刻，溫度高，能耗較大，所用生物酶成本高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種解聚纖維素的方法，是一種解聚纖維素的電化學方法。經過該方法解聚處理的纖維素聚合度降低，被解聚的纖維素生成葡萄糖或葡萄二糖小分子化合物，並且不破壞纖維素原有的官能團結構，克服了現有技術需要消耗大量的有機物並且要處理大量後續廢水，汙染環境，反應條件苛刻，溫度高，能耗較大和成本高的缺點。 本發明解決該技術問題所採用的技術方案是一種解聚纖維素的方法，是一種解聚纖維素的電化學方法，其步驟是
第一步，電解池的設置 在工作電解池內以活性炭纖維板為陰極，即工作電極，石墨棒為陽極，保持活性炭
纖維陰極和石墨陽極間距為4 10cm，在裝有KN03過飽和溶液的參比池內以飽和甘汞電極
為參比電極，參比電極與工作電解池之間用KN03鹽橋連接，陰極、陽極和參比電極分別用導
線與恆電位儀相連接； 第二步，反應原料的配製用雙蒸水配製300mL濃度為5 15g/L的Na2S04溶液置於第一步的工作電解池 中，用摩爾濃度為lmol/L的H2S04溶液調節該Na2S04溶液的pH值為1 5，然後加入0. 5 1. 2g的FeS04和0. 05 0. 15g的纖維素，上述反應原料的用量可以按比例增減；
第三步，電化學反應解聚纖維素 以0. 5 2. 5L/min的速率向第二步裝有上述反應原料的工作電解池內的陰極極 板處連續通入空氣，同時接通所述設置的電解池的電源，將電流強度控制在10 30mA，反 應4 24小時後過濾，將濾出的解聚後的纖維素在50 6(TC下烘乾；
第四步，測量纖維素的解聚結果 用粘度法測量計算，第三步得到的解聚後的纖維素的聚合度與原料纖維素的聚合
度相比，由1200降到921 567，纖維素的解聚率達到23 52. 8%。 上述一種解聚纖維素的方法，所述活性炭纖維板陰極的尺寸為3cmX3cm。 上述一種解聚纖維素的方法中，所用到的原料、儀器和設備及其零部件均可通過
商購獲得，恆電位儀的型號是TD3690，操作工藝和測量纖維素的粘度法均是普通公知的方法。 本發明的有益效果是 1.本發明方法實現解聚纖維素的原理在於由於連續向陰極極板處連續通入空 氣，空氣中的氧氣在陰極被電還原產生^02，再與外加的亞鐵離子(Fe2+)形成Fenton試劑， 產生羥基自由基，實現了自由基解聚纖維素。 2.本發明用電化學方法產生羥基自由基來解聚纖維素，經過處理的纖維素聚合度 降低，被解聚的纖維素生成葡萄糖或葡萄二糖等小分子化合物，並且不破壞纖維素原有的 官能團結構，為製備用途廣泛的纖維素衍生物提供了基礎，使之在氧化纖維素的研究中得 到初步應用。 3.本發明方法是將電化學方法和傳統Fenton氧化方法結合解聚纖維素，工藝操 作和反應裝置簡單，反應條件溫和，不消耗有機物、過程清潔、無汙染，不需要高溫、能耗和 生產成本較低，反應過程中通過控制合理的電流和電壓參數，即可實現Fe2+離子的循環和 H202的產生，在電-Fenton處理中，H202以一定的速率持續產生，能保持長時間持續有效的 氧化反應。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明一種解聚纖維素的方法的專用裝置圖。
圖2是原料纖維素和經用本發明方法解聚後纖維素的紅外對照譜圖。 圖3是原料纖維素和經用本發明方法解聚後的纖維素X-射線衍射圖。
圖中1.工作電解池，2.陽極，3.陰極，4.空氣導入管，5.參比電極，6. KN03鹽橋， 7.裝有KN03過飽和溶液的參比池，8.恆電位儀。
具體實施例方式
圖1是本發明一種解聚纖維素的方法的專用裝置圖，其中陰極3為尺寸3cmX3cm 的活性炭纖維板，陽極2為石墨棒，保持活性炭纖維陰極3和石墨陽極2間距為4 10cm， 在裝有KN03過飽和溶液的參比池7內以飽和甘汞電極為參比電極5，參比電極5與工作電 解池1之間用KN03鹽橋6連接，陰極3、陽極2和參比電極5分別用導線與恆電位儀8相連 接。以下實施例均採用此裝置。 圖2是原料纖維素和經用本發明方法解聚後纖維素的紅外對照譜圖。其中3100 3600cm—1為纖維素鏈間氫鍵特異吸收峰，此波數區紅外吸收減少了，表明在電-Fennton處 理後纖維素分子鏈間的氫鍵減少。2900cm—1處為吡喃葡萄糖環C-H震動吸收峰，1059cm—1為 羥基特徵吸收峰，1600 1800cm—1區間內的譜線上沒有新的吸收峰生成，形態也基本相同， 這說明纖維素經電-Fenton處理後沒有新的官能團產生。該圖的結果適應於下例所有的實 施例。 圖3是原料纖維素和經用本發明方法解聚後的纖維素X-射線衍射圖。在該圖中， 2 9 =22.6°的衍射強度代表了結晶區的強度。因分子間和分子內部都有較強的氫鍵形 成，天然棉纖維素具有較高的結晶度，由圖3可知，經用本發明方法解聚後的纖維素與原材 料纖維素相比，2e =22.6°的衍射峰強度由22600降低到15000，這說明經本發明方法的 電-Fenton處理後的纖維素結晶度有所降低，從而也說明纖維素分子間氫鍵的減弱。該圖 的結果適應於下例所有的實施例。
實施例1
第一步，電解池的設置 在工作電解池內以活性炭纖維板為陰極，即工作電極，其面積為3cmX3cm，石墨棒 為陽極，保持活性炭纖維陰極和石墨陽極間距為4cm，在裝有KN03過飽和溶液的參比池內以 飽和甘汞電極為參比電極，參比電極與工作電解池之間用KN03鹽橋連接，陰極、陽極和參比 電極分別用導線與恆電位儀相連接；
第二步，反應原料的配製 用雙蒸水配製300mL濃度為5g/L的Na2S04溶液置於第一步的工作電解池中，用摩 爾濃度為lmol/L的H2S04溶液調節該Na2S04溶液的pH值為1，然後加入0. 5g的FeS04和 0. 05g的纖維素； 第三步，電化學反應解聚纖維素 以0. 5L/min的速率向上述工作電解池內的陰極極板處連續通入空氣，同時接通 電解池的電源，將電流強度控制在10mA，反應4小時後過濾，將濾出的解聚後的纖維素在 50 60。C下烘乾； 第四步，測量纖維素的解聚結果 用粘度法測量計算，第三步得到的解聚後的纖維素的聚合度與原料纖維素的聚合 度相比，由1200降到921，纖維素的解聚率達到23%。
實施例2
5
第一步，電解池的設置 在工作電解池內以活性炭纖維板為陰極，即工作電極，其面積為3cmX3cm，石墨棒 為陽極，保持活性炭纖維陰極和石墨陽極間距為6cm，在裝有KN03過飽和溶液的參比池內以 飽和甘汞電極為參比電極，參比電極與工作電解池之間用KN03鹽橋連接，陰極、陽極和參比 電極分別用導線與恆電位儀相連接；
第二步，反應原料的配製 用雙蒸水配製300mL濃度為8g/L的Na2S04溶液置於第一步的工作電解池中，用摩 爾濃度為lmol/L的H2S04溶液調節該Na2S04溶液的pH值為3，然後加入0. 8g的FeS04和 0. lg的纖維素； 第三步，電化學反應解聚纖維素 以1. 5L/min的速率向上述工作電解池內的陰極極板處連續通入空氣，同時接通 電解池的電源，將電流強度控制在15mA，反應8小時後過濾，將濾出的解聚後的纖維素在 50 60。C下烘乾； 第四步，測量纖維素的解聚結果 用粘度法測量計算，第三步得到的解聚後的纖維素的聚合度與原料纖維素的聚合
度相比，由1200降到834，纖維素的解聚率達到30. 5%。 實施例3 第一步，電解池的設置 在工作電解池內以活性炭纖維板為陰極，即工作電極，其面積為3cmX3cm，石墨棒 為陽極，保持活性炭纖維陰極和石墨陽極間距為8cm，在裝有KN03過飽和溶液的參比池內以 飽和甘汞電極為參比電極，參比電極與工作電解池之間用KN03鹽橋連接，陰極、陽極和參比 電極分別用導線與恆電位儀相連接；
第二步，反應原料的配製 用雙蒸水配製300mL濃度為12g/L的Na2S04溶液置於第一步的工作電解池中，用 摩爾濃度為lmol/L的H2S04溶液調節該Na2S04溶液的pH值為4，然後加入1. 0g FeS04和 0. 12g纖維素； 第三步，電化學反應解聚纖維素 以2. 0L/min的速率向上述工作電解池內的陰極極板處連續通入空氣，同時接通 電解池的電源，將電流強度控制在20mA，反應16小時後過濾，將濾出的解聚後的纖維素在 50 60。C下烘乾； 第四步，測量纖維素的解聚結果 用粘度法測量計算，第三步得到的解聚後的纖維素的聚合度與原料纖維素的聚合
度相比，由1200降到652，纖維素的解聚率達到45. 7%。 實施例4 第一步，電解池的設置 在工作電解池內以活性炭纖維板為陰極，即工作電極，其面積為3cmX3cm，石墨棒 為陽極，保持活性炭纖維陰極和石墨陽極間距為10cm，在裝有KN03過飽和溶液的參比池內 以飽和甘汞電極為參比電極，參比電極與工作電解池之間用1(冊3鹽橋連接，陰極、陽極和參 比電極分別用導線與恆電位儀相連接；
第二步，反應原料的配製 用雙蒸水配製300mL濃度為15g/L的Na2S04溶液置於第一步的工作電解池中，用 摩爾濃度為lmol/L的H2S04溶液調節該Na2S04溶液的pH值為5，然後加入1. 2g FeS04和 0. 15g纖維素； 第三步，電化學反應解聚纖維素 以2. 5L/min的速率向上述工作電解池內的陰極極板處連續通入空氣，同時接通 電解池的電源，將電流強度控制在30mA，反應24小時後過濾，將濾出的解聚後的纖維素在 50 60。C下烘乾； 第四步，測量纖維素的解聚結果 用粘度法測量計算，第三步得到的解聚後的纖維素的聚合度與原料纖維素的聚合 度相比，由1200降到567，纖維素的解聚率達到52. 8%。 上述實施例中所用到的原料、儀器和設備及其零部件均可通過商購獲得，恆電位 儀的型號是TD3690，操作工藝和測量纖維素的粘度法均是普通公知的方法。
權利要求
一種解聚纖維素的方法，其特徵在於是一種解聚纖維素的電化學方法，其步驟是第一步，電解池的設置在工作電解池內以活性炭纖維板為陰極，即工作電極，石墨棒為陽極，保持活性炭纖維陰極和石墨陽極間距為4～10cm，在裝有KNO3過飽和溶液的參比池內以飽和甘汞電極為參比電極，參比電極與工作電解池之間用KNO3鹽橋連接，陰極、陽極和參比電極分別用導線與恆電位儀相連接；第二步，反應原料的配製用雙蒸水配製300mL濃度為5～15g/L的Na2SO4溶液置於第一步的工作電解池中，用摩爾濃度為1mol/L的H2SO4溶液調節該Na2SO4溶液的pH值為1～5，然後加入0.5～1.2g的FeSO4和0.05～0.15g的纖維素，上述反應原料的用量可以按比例增減；第三步，電化學反應解聚纖維素以0.5～2.5L/min的速率向上述工作電解池內的陰極極板處連續通入空氣，同時接通電解池的電源，將電流強度控制在10～30mA，反應4～24小時後過濾，將濾出的解聚後的纖維素在50～60℃下烘乾；第四步，測量纖維素的解聚結果用粘度法測量計算，第三步得到的解聚後的纖維素的聚合度與原料纖維素的聚合度相比，由1200降到921～567，纖維素的解聚率達到23～52.8％。
2. 根據權利要求1所述的一種解聚纖維素的方法，其特徵在於所述活性炭纖維板陰 極的尺寸為3cmX3cm。
全文摘要
本發明一種解聚纖維素的方法，涉及氧化纖維素技術領域。它是一種解聚纖維素的電化學方法，用雙蒸水配製300mL濃度為5～15g/L的Na2SO4溶液置於工作電解池中，調節該Na2SO4溶液的pH值為1～5，然後加入0.5～1.2g的FeSO4和0.05～0.15g的纖維素，以0.5～2.5L/min的速率向陰極極板處連續通入空氣，將電流強度控制在10～30mA，反應4～24小時後，將濾出的解聚後的纖維素在50～60℃下烘乾，解聚後的纖維素的聚合度由原1200降到921～567，解聚率達23～52.8％。本發明工藝操作和裝置簡單，反應條件溫和，不消耗有機物、無汙染，能耗和生產成本較低。
文檔編號C25B3/00GK101701338SQ20091022868
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月25日 優先權日2009年11月25日
發明者張松梅, 楊芳, 陳豔平, 陳雨露, 黎鋼 申請人:河北工業大學