[发明专利]部分水解纤维素的纯化工艺

说明书

技术领域

本发明涉及用于洗涤部分水解纤维素以除去酸至低水平的工艺。

背景技术

以下参考文献描述了在现有技术文献中已用于产生部分水解纤维素的工艺步骤，且讨论如下：如(1)Revol等的US 5,629,055；(2)Revol，Louis Godbout，Xue-Min Dong，Derek G.Gray，Henri Chanzy和Georg Maret，“Chiral nematic suspensions of cellulose crystallites；phase separation and magnetic field orientation”，Liquid Crystals，(1994)16卷，1期：127；和(3)Xue Min Dong，Tsunehisa Kimura，Revol和Derek G.Gray，“Effects of Ionic Strength on the Isotropic-Chiral Nematic Phase Transition of Suspensions of Cellulose Crystallites”，Langmuir，(1996)12卷：2076。

部分水解纤维素(在文献中也称为纤维素微晶或纳米结晶纤维素)最常通过用硫酸控制纤维素酸解来产生。纤维素可以来自各种来源，包括木浆和棉。沿纤维素微纤维的密度较小的无定形区域在水解期间更易受酸攻击并裂开以产生部分水解纤维素。可以使用除硫酸外的酸，如盐酸、磷酸等，或酸的混合物。为了方便解释，以下的讨论集中在硫酸的使用和硫酸盐的除去。

在如由来自水解的残余硫酸引起的高离子强度下，单独的晶态纤维素纳米颗粒倾向于团聚在一起成为更大的颗粒，其在重力下或在离心中沉降。为获得期望的离散的纳米颗粒，溶液的离子强度必须降至非常低的水平。为实现此期望的纯化，通常采用稀释后接离心的一步或更多步以使大部分硫酸(约90％)与部分水解纤维素分离；然而，随着酸浓度和相关联的离子强度的降低，部分水解纤维素颗粒解团聚成更小的聚集物直至它们太小而不能在离心中有效收集的程度，必须使用替代方法以进一步降低酸的浓度。

为实现部分水解纤维素悬浮体的期望的最终纯度，通常使用与连续的或逐步的水洗结合的保留部分水解纤维素颗粒的非常精细的过滤器。该洗涤步骤在文献中经常被称为渗析或渗滤。

虽然大部分起始的酸通常已由离心预先除去，但是部分水解纤维素的纯化目标是酸浓度必须进一步降低几个数量级。即使使用高效渗析体系，也要求与产生的部分水解纤维素的量相关的非常大的过滤表面积和流速，导致高的资本和运行成本、用水量和规划要求，尤其是在更大的规模下。

不严格要求离心作为初始纯化步骤，尽管一般地，它改善了总体的可行性。期望的最终纯度可以通过单独用渗析实现；然而，这显著提高了渗析的洗涤要求和酸回收成本。

以上描述的现有技术纯化工艺也除去了水解中产生的糖，以及其它可溶的杂质；然而，这些通常以比硫酸更低的量存在，使得它们的去除在部分水解纤维素的纯化中通常不是限制因素。

如上面指出的现有技术所描述，用硫酸产生的部分水解纤维素颗粒一般包含弱酸性的硫酸根基团。一旦离子强度已降至足够低的水平，部分水解纤维素悬浮体通常用超声或其它高剪切操作分散。此外，部分水解纤维素悬浮体通常用NaOH或其它碱中和，以改善部分水解纤维素的热稳定性和再分散性(如果经干燥)。已知包含二价阳离子，如Ca⁺⁺和Ba⁺⁺的碱干扰有序相的形成，如虹彩膜等的形成，所以它们在最终产物中的存在对很多应用是期望的。“Cellulose Nanocrystal Suspensions”，Gray，D.博士，Dept.of Chemistry，McGill University，10^th International Conference on Wood and Other Biofibre Plastic Composites，Madison，Wisconsin，5月13日，2009。

发明内容

本发明提供了用于从包含部分水解纤维素颗粒的组合物中除去酸的方法，即，用于从包含部分水解纤维素和酸的组合物中回收经纯化的部分水解纤维素的方法。本发明降低了现有技术工艺中通常对高的资本和运行成本、用水量和大过滤表面积的要求。