[发明专利]一种以木质纤维素为原料联产乙醇和电能的方法

说明书

本发明公开了一种以木质纤维素为原料联产乙醇和电能的方法。该方法是通过采用氧化态杂多酸或其盐对木质纤维素进行预处理，氧化大部分木质素和半纤维素，使得纤维素可及度显著提高，有利于进一步转化为乙醇，而杂多酸或其盐被还原。将还原态的杂多酸或其盐在液流式燃料电池中进行放电，获得电能的同时将还原态的杂多酸或其盐重新氧化为再生氧化态杂多酸或其盐并循环用于木质纤维素原料的预处理。本发明公开的方法将木质纤维素的预处理与生物质直接转化为电能相偶联，以预处理为“充电”过程，还原态杂多酸或其盐氧化再生为“放电”过程，从而实现木质纤维素在温和条件下的乙醇和电能联产。

技术领域

本发明属于生物质能源领域，特别涉及一种以木质纤维素为原料联产乙醇和电能的方法。

背景技术

木质纤维素例如农作物秸秆、林业废弃物等是自然界中最丰富的有机物质，其是生产第二代燃料乙醇的主要原料。木质纤维素生产燃料乙醇一般需要经过预处理、酶解糖化、发酵和乙醇回收纯化等步骤。其中，预处理是纤维乙醇生产的一个关键步骤，其主要目的是提高纤维素的酶解性能，使纤维素能够有效糖化为葡萄糖。目前已经开发了多种预处理方法，例如稀酸预处理、碱处理、氧化预处理、有机溶剂预处理等。而这些预处理方法的主要目的是通过脱除半纤维素和木质素从而提高纤维素的可及度。除有机溶剂预处理外，其他化学预处理方法中所使用的试剂往往在预处理后即作为废液排放，并未进行回收和循环使用，造成一定程度的环境污染。

另一方面，木质纤维素原料也可以用于发电。传统木质纤维素发电方法是将木质纤维素燃烧或与煤一起混燃后产生蒸汽，再驱动蒸汽轮机发电，或者将木质纤维素原料气化后得到合成气，再进一步驱动燃气轮机发电。木质纤维素也可作为燃料通过燃料电池技术发电，但木质纤维素往往需要通过化学或生物法转化为易于利用的小分子物质，才能作为燃料在燃料电池中产生电能。例如，木质纤维素生物质可通过生物或化学转化，获得可被微生物利用的碳源，例如葡萄糖、木糖等可发酵糖类、乙酸等有机酸和酚类化合物，这些化合物进而被微生物燃料电池(MFC)中的产电微生物利用和转化为电能；木质纤维素原料可通过气化获得主要含H2和CO的合成气，合成气进一步作为燃料在固体氧化物(SOFC)中转化为电能；木质纤维素生物质也可先经过热解炭化获得生物炭，再进一步作为燃料在直接碳燃料电池(DCFC)中氧化转化为电能。这些间接利用木质纤维素产生电能的燃料电池技术中，MFC虽然可在低于50℃的温和条件下进行，但放电速率慢，功率密度往往低于0.5mW/cm2，对于采用难以降解的生物质原料和酚类化合物为燃料时，功率密度更是低于0.05mW/cm2。SOFC采用合成气为燃料时，可获得高达1500mW/cm2的功率密度，但SOFC的操作需要在600-900℃的高温下进行，且合成气中存在的硫等杂质会造成催化剂失活，降低电池效率。DSFC虽然可直接采用固体碳材料为原料，且功率密度可达900mW/cm2，但燃料(固体碳)与电极和催化剂之间的接触性差以及严重的电极腐蚀是制约DSFC大规模应用的主要瓶颈。此外，这些间接生物质燃料电池需要将外部的生物质转化系统与燃料电池系统相结合，不仅需要增加额外的设备，过程较为复杂，而且外部的化学和生物转化造成显著的损失，从而使得生物质到电能的转化效率较低。

因此，如能在温和环境下将木质纤维素转化为电能一方面可以避免外部转化系统带来的流程复杂性，另一方面可以降低损失，获得更高的理论化学能到电能的转化率。

发明内容

本发明提供了一种以木质纤维素为原料联产乙醇和电能的方法，可以实现纤维素和部分半纤维素转化为乙醇，而木质素和部分半纤维素转化为电能。

上述目的是通过以下技术方案实现的。

一方面，本发明提供了一种以木质纤维素为原料联产乙醇和电能的方法，其包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料与氧化态杂多酸或其盐溶液混和进行预处理后，分离得到固体1和含有还原态杂多酸或其盐的液体1；(2)将步骤(1)得到的固体1用水洗涤后分离，得到固体2和液体2，并将固体2进一步用水洗涤至中性；