用于重金属富集植物资源化处置的低共熔溶剂及其应用

本发明属于重金属富集，具体涉及一种用于重金属富集植物资源化处置的低共熔溶剂及其应用。

背景技术：

1、植物修复能通过植物吸收将污染区域土壤的重金属转移至生物质中且无需额外的能源消耗，兼具技术和经济双重优势。但随着重金属转移，会产生大量富含重金属的生物质。若处置不当，不仅会导致重金属重新释放至环境，形成二次污染，还会浪费生物质资源。尽管填埋、堆肥和热解等方法已被开发用于处理植物修复生物质，但仍存在高能耗、二次污染风险和低价值利用等问题。

2、现有技术开发了一种基于氯化胆碱和乳酸体系的低共熔溶剂(des)生物质精炼工艺，将其用于重金属富集植物的无害化处置，该工艺能有效脱除生物质中重金属的同时解构生物质，最终获得清洁纸浆和木质素产品。然而，为了使低共熔溶剂的生物精炼在经济可行并可持续用于商业化应用，回收和再利用低共熔溶剂至关重要。

3、传统基于低共熔溶剂的生物质预处理工艺都是分离木质素产品后通过蒸发抗溶剂，如水、丙酮/水、乙醇/水，回收预处理后的低共熔溶剂，以用于下一个预处理。这种方法会产生大量的除水消耗，不利于工业实施。此外，由于残余的木质素和糖等降解产物逐渐积累于回收的低共熔溶剂，致使其循环处理效率越来越差，直至废弃。这是目前低共熔溶剂生物质精炼工艺产业面临的普遍性难题。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术用于生物质精炼工艺的低共熔溶剂的回收能耗高、循环效率低，不利于工业化生产等缺陷，从而提供了一种用于重金属富集植物资源化处置的低共熔溶剂及其应用。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、本发明第一方面提供了一种用于重金属富集植物资源化处置的低共熔溶剂，包括十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇。

4、所述十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇的摩尔比为1:(0.5-1.5)。

5、所述十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇的摩尔比为1:1。

6、在制备本发明低共熔溶剂时，可以在90-120℃条件下加热以获得均匀的液体。

7、本发明第二方面提供了一种富集重金属生物质的处理方法，包括：

8、(1)预处理：富集重金属生物质与低共熔溶剂混合，加入酸催化剂进行预处理，脱除生物质中的重金属并解构生物质；

9、(2)固液分离：在步骤(1)得到的中间混合产物中加入溶剂，分离后得到富集重金属的低共熔溶剂和纸浆；

10、所述低共熔溶剂包括十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇。

11、进一步地，富集重金属生物质的处理方法具体包括：

12、(1)富集重金属生物质与低共熔溶剂混合，加入酸催化剂进行预处理，使生物质中的重金属脱除并同时解构生物质，得到中间混合产物；

13、(2)在步骤(1)得到的中间混合产物中加入溶剂稀释，分离后得到滤液(富集重金属的低共熔溶剂)以及固形物(纸浆)；具体地，该步骤加入的溶剂可以为但不限于乙醇或丙酮中的至少一种，溶剂还可以对分离后的固形物(纸浆)进行多次清洗以去除残余低共熔溶剂获得清洁的富纤维素纸浆产品。

14、进一步地，滤液经收集后，将溶剂蒸发去除得到富集重金属的低共熔溶剂。其中，富集重金属的低共熔溶剂中还包括生物质降解产物，如木质素和低聚糖等。该过程不需要消耗较高的能量。

15、可选的，富集重金属生物质可以是富集镉、铜等金属离子的植物，例如杨木等草木。

16、所述富集重金属生物质和所述低共熔溶剂的质量比为1:(10-20)。

17、所述酸催化剂为勃朗斯特酸；

18、优选地，所述酸催化剂为硫酸、盐酸或硝酸；具体地，所述酸催化剂为72％硫酸、浓盐酸或浓硝酸；

19、优选地，所述酸催化剂与所述低共熔溶剂的质量比为(0.5-2):100。

20、所述预处理的温度为110-130℃，时间为1-5h。

21、本发明第三方面提供了富集重金属的低共熔溶剂在生物基粘合剂中的应用，所述低共熔溶剂包括十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇。

22、可选的，低共熔溶剂可以直接作为生物基粘合剂使用，也可以作为生物基粘合剂的原料使用。

23、本发明第四方面提供了一种生物基粘合剂的制备方法，包括以下步骤：

24、富集重金属的低共熔溶剂与聚合单体、交联剂、引发剂混合得到生物基粘合剂。

25、富集重金属的低共熔溶剂、聚合单体、交联剂、引发剂的质量比为100:(25-75):(0-4):(1-6)。

26、当富集重金属的低共熔溶剂作为生物基粘合剂的原料，在制备生物基粘合剂时，聚合单体可以是但不限于丙烯酸、n-羟乙基丙烯酰胺、丙烯酰胺等；交联剂可以是聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇甲基烯酸酯、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺等；引发剂可以是但不限于光引发剂，如光引发剂2959、光引发剂907、过硫酸铵、2-氧戊二酸等。生物基粘合剂通过曝光发生交联，产生强的粘合强度。交联剂的用量可以为0。

27、本发明技术方案，具有如下优点：

28、1.本发明提供的用于重金属富集植物资源化处置的低共熔溶剂，该低共熔溶剂包括十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇，该低共熔溶剂随着温度的变化可以在凝胶态和液体态之间转变，当对其进行加热时，该低共熔溶剂为液态，可以提取富集在生物质中的重金属，并分馏木质素，当冷却至室温后形成凝胶态材料，可以直接用作生物基粘合剂或者作为粘合剂的生产原料，无需分离去除生物质降解产物(如木质素和低聚糖等)，避免了传统低共熔溶剂生物质精炼工艺中产物分离和des回收循环产生高耗能和效率下降的问题。

29、2.本发明提供的富集重金属生物质的处理方法，该方法可以制得富纤维素纸浆产品和富集重金属、生物质降解产物的低共熔溶剂，该方法得到的富集重金属的低共熔溶剂可以直接用于粘合剂领域，由于生物质降解产物和低共熔溶剂的协同作用可以赋予该低共熔溶剂强大的粘合性能，这种粘合性能可以使粘合剂的生产过程更加节能，并兼具经济效益，实现了低能耗、无废物排放、经济可行的重金属富集植物绿色处理工艺。

30、进一步地，富集重金属生物质与低共熔溶剂在酸催化剂中进行预处理，在酸催化剂作用下，低共熔溶剂可以脱除生物质富集的重金属离子(如镉、铜等)和木质素。将本发明低共熔溶剂用于富集重金属时，不仅可以有效脱除生物质中的重金属，还能得到清洁纸浆产品。

31、3.本发明提供的富集重金属的低共熔溶剂在生物基粘合剂中的应用，通过在富集重金属的低共熔溶剂中引入单体交联形成共价网络，能得到光固化型粘合剂，具有优异粘合性能，高透明度和稳定性等优点。

32、进一步地，采用本发明工艺制备生物基粘合剂时，综合原材料采集成本、化学品成本、劳动力成本、预处理成本等，本发明粘合剂的成本约为1600$/t，显著低于工业平均价格约16800$/t和商业粘合剂成本约38000$/t-350000$/t。采用本发明工艺生产粘合剂具有成本低等优势。

技术特征：

1.一种用于重金属富集植物资源化处置的低共熔溶剂，其特征在于，包括十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇。

2.根据权利要求1所述的低共熔溶剂，其特征在于，所述十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇的摩尔比为1:(0.5-1.5)。

3.根据权利要求1或2所述的低共熔溶剂，其特征在于，所述十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇的摩尔比为1:1。

4.一种富集重金属生物质的处理方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的处理方法，其特征在于，所述富集重金属生物质和所述低共熔溶剂的质量比为1:(10-20)。

6.根据权利要求4或5所述的处理方法，其特征在于，所述酸催化剂为勃朗斯特酸；

7.根据权利要求4-6任一项所述的处理方法，其特征在于，所述预处理的温度为110-130℃，时间为1-5h。

8.富集重金属的低共熔溶剂在生物基粘合剂中的应用，其特征在于，所述低共熔溶剂包括十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇。

9.一种生物基粘合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，富集重金属的低共熔溶剂、聚合单体、交联剂、引发剂的质量比为100:(25-75):(0-4):(1-6)。

技术总结本发明属于重金属富集技术领域，具体涉及一种用于重金属富集植物资源化处置的低共熔溶剂及其应用。该低共熔溶剂包括十二烷基三甲基氯化铵和乙二醇，该低共熔溶剂随着温度的变化可以在凝胶态和液体态之间转变，当对其进行加热时，该低共熔溶剂为液态，可以提取富集在生物质中的重金属，并分馏木质素，当冷却至室温后形成凝胶态材料，可以直接用作生物基粘合剂或者作为粘合剂的生产原料，无需分离去除生物质降解产物(如木质素和低聚糖等)，避免了传统低共熔溶剂生物质精炼工艺中产物分离和DES回收循环产生高耗能和效率下降的问题。技术研发人员：王蕾,张宸源受保护的技术使用者：西湖大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16