一种用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法

本发明涉及生物质废弃资源的深度开发和高值利用，尤其涉及一种用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法。

背景技术：

1、利用先进技术大批量转化生物质资源，生产新能源和化工原料的替代品，对于绿色可持续发展有重大意义。造纸制浆工业是当前规模最大的大宗利用生物质的产业，是重要的民生产业。但传统的制浆技术仅提取了生物质中的纤维素，废弃的碱液和木质素、半纤维素形成大量的黑液。过去黑液被排放入江河湖泊，污染和破坏水源，危害极大，现在黑液主要是浓缩后焚烧，浪费了宝贵的资源。黑液中的污染物主要是碱木质素(即木质素的钠盐)，使用一般的化学方法或生物方法很难去除这类污染物。因此，处理黑液，实现造纸废水的零排放和资源的循环和综合利用是当今一大研究课题。黑液处理的目的是回收碱液用于纸浆蒸煮，实现循环生产，并分离黑液里的木质素和半纤维素，用作高价值产品的原料，使生物质资源得到高价值综合利用，延长造纸工业的产业链，实现绿色、低碳、高效、可持续发展。

2、以木材、竹子和秸秆为原料的碱法造纸厂采用碱液(naoh)蒸煮生物质原料，使纤维素和其它成分(木质素和半纤维素)分离开，每生产1吨纸浆，会产生5吨黑液。已有的黑液的处理方法主要是把黑液浓缩后焚烧，再用苛化法从炉渣中回收碱液。经黑液焚烧后的炉渣里含大量碱(naoh)产生的碳酸钠(na2co3)，加入大量的石灰乳(ca(oh)2)与之反应，可转化为氢氧化钠和碳酸钙，经过沉淀和过滤，回收液体烧碱，再用于纸浆蒸煮，会产生大量的碳酸钙固体废物。这种方法的设备投资高，许多中小造纸厂难以承受。焚烧法虽能产生蒸汽，并回收部分碱液，但是木质素和半纤维素没有得到合理的利用。黑液的焚烧处理法的最大缺点是苛化处理产生了大量的固体废物，难以处理，成为制约造纸工业发展的最大障碍。

3、造纸黑液的另一个处理方法是电渗析法，用电解和膜分离的方法把木质素和碱液分离开，回收的碱液循环用于纸浆蒸煮，含木质素的母液则浓缩后作为燃料，在锅炉中燃烧产生蒸汽。电渗析法的优点是碱液得到回收和再利用，不产生固体废弃物，缺点是消耗电能。过去电渗析法的目的是单纯回收碱液，副产物木质素和半纤维素被烧掉，没有得到充分的利用，且电渗析过程中产生的氢气和氧气任其排空，耗电大，经济效益低。因此，电渗析法仅停留在实验室研究阶段，未被大多数纸浆厂采用。

技术实现思路

1、本发明的目的为提供一种用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，以解决现有的电渗析法处理黑液未对终产物进行充分利用，经济效益低，进而影响其推广利用的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，包括如下步骤：

4、将黑液送入电渗析装置的母液室，将水送入电渗析装置的碱液室，进行电渗析反应，得到木质素悬浮液、碱液、氢气和氧气；木质素悬浮液和絮凝剂混合后过滤，得到木质素和五碳糖滤液；

5、黑液为生产纸浆产生的黑液；

6、木质素悬浮液和氧气由母液室产生；碱液和氢气由碱液室产生；氢气和氧气独立的通过排水集气法收集。

7、作为优选，所述电渗析反应的电流为0.2～5a，电渗析反应的电压为6～12v。

8、作为优选，所述黑液的质量分数为5～15％。

9、作为优选，所述黑液和水的流量独立的为0.5～2l/min，黑液和水的送入压力独立的为3～10米水柱。

10、作为优选，所述絮凝剂为木质素接枝聚丙烯酰胺、聚合氯化铝或聚合氯化铁；木质素悬浮液和絮凝剂的质量比为1：0.0001～0.001。

11、作为优选，所述木质素顺次经过滤、洗涤和烘干，得到木质素产品；

12、洗涤所用试剂为水；烘干的温度为50～70℃，烘干的时间为100～180min。

13、作为优选，所述五碳糖滤液经浓缩重结晶，得到五碳糖。

14、作为优选，所述母液室中的正极的外围设置隔离膜，隔离膜的孔径为1000～2000目。

15、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：

16、(1)本发明的电渗析法处理碱法造纸产生的黑液的技术可以获得5种高价值产品(木质素、碱液、五碳糖、氢气、氧气)，电能的利用率和产生的经济效益远高于只分离木质素和回收碱液的传统电渗析法，本发明不产生废弃物，不存在二次污染，具有很高的生态、环保、经济和社会效益；

17、(2)本发明得到的5种产品具有很高的应用价值，可以形成新的产业链，会产生很高的社会和经济效益。其中木质素可用于生产超级电容器的电容炭，木质素在正极受到原子氧的氧化，适合制备锂/钠离子电池的负极硬碳，用于新能源和储能产业；氢气是宝贵的绿色清洁能源，是新能源发展的方向；碱液循环用于纸浆蒸煮，形成绿色循环经济；五碳糖和氧气作为化工原料。本发明真正做到了物尽其用，并且不产生污染物和废弃物；

18、(3)氢气是最具潜力的新能源之一，是绿色、可持续能源的发展方向，当前生产氢气的主流方法是电解碱性水溶液制造氢气，比如电解海水制氢等。与单纯的电解水制氢法相比，电渗析法处理黑液制备得到的氢气只是一个副产品，能源利用率和综合效益远高于电解水制氢法。造纸工业是一个巨大的民生产业，黑液资源十分丰富，按化学计量关系，每回收1吨碱要产生25kg的氢气；

19、(4)本发明在正极外围加装了隔离膜，阻断了木质素沉淀和其它物质对正极的覆盖和污染，提高了电渗析反应的效率，方便定期清洗；

20、(5)本发明使用了新型絮凝剂来沉降木质素悬浮液，用新型絮凝剂来絮凝木质素，降低了木质素产品中的杂质，絮凝剂的用量少，絮凝效率高，同时提高了产品质量；

21、(6)本发明的操作方法简单，电渗析装置的体积紧凑，设备占地面积小，设备投资低、能源效率高，特别适用于中小造纸企业。

技术特征：

1.一种用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述电渗析反应的电流为0.2～5a，电渗析反应的电压为6～12v。

3.根据权利要求1或2所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述黑液的质量分数为5～15％。

4.根据权利要求3所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述黑液和水的流量独立的为0.5～2l/min，黑液和水的送入压力独立的为3～10米水柱。

5.根据权利要求1、2或4所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述絮凝剂为木质素接枝聚丙烯酰胺、聚合氯化铝或聚合氯化铁；木质素悬浮液和絮凝剂的质量比为1：0.0001～0.001。

6.根据权利要求5所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠。

7.根据权利要求6所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述木质素顺次经过滤、洗涤和烘干，得到木质素产品；

8.根据权利要求6或7所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述五碳糖滤液经浓缩重结晶，得到五碳糖。

9.根据权利要求8所述用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法，其特征在于，所述母液室中的正极的外围设置隔离膜，隔离膜的孔径为1000～2000目。

技术总结本发明属于生物质废弃资源的深度开发和高值利用技术领域，本发明公开了一种用电渗析法从生产纸浆产生的黑液中制取木质素、碱液、五碳糖、氢气和氧气的方法。所述方法包括如下步骤：将黑液送入电渗析装置的母液室，将水送入电渗析装置的碱液室，进行电渗析反应，得到木质素悬浮液、碱液、氢气和氧气；木质素悬浮液和絮凝剂混合后过滤，得到木质素和五碳糖滤液；黑液为生产纸浆产生的黑液；木质素悬浮液和氧气由母液室产生；碱液和氢气由碱液室产生。本发明所述方法，设备投资少、处理费用低、设备能耗低、使用寿命长、占地面积小，能同时得到5种产物，不产生二次污染。同时做到了生物质资源的全组分(纤维素、木质素、半纤维素)高值化利用。技术研发人员：杜奇石,周凌强,陶有胜受保护的技术使用者：广西科学院技术研发日：技术公布日：2024/8/16