专利名称：：一种制备高磺化度木质素磺酸钠的方法
技术领域：
：本发明涉及木质素磺酸钠的制备，特别是涉及一种高磺化度木质素磺酸钠的制备方法。
背景技术：
：造纸制浆过程中产生大量的废液，木质素磺酸盐和碱木质素分别是酸法制浆和碱法废水的主要成分。木质素磺酸盐因具有表面活性被作为油田用表面活性剂、混凝土添加剂，农用化学品、工业粘合剂等得以回收利用，而占主导地位的碱法制浆产生大量的碱木质素因应用性能差，且化学反应活性低，缺乏应用途径，通常迫于环境的压力，通过燃烧以利用热和回收碱。碱回收设备投入大、运行成本高，对于2万吨以下的中小型化学制浆厂无力承受运行碱回收装置而不得不关闭。通过磺化改性碱木质素合成木质素磺酸盐高效表面活性剂是木质素目前使用最为广泛的领域之一。由于碱木质素的反应活性较差，早期的磺化改性都是在高温高压下进行的。美国专利2680113报道了在10017(TC下利用甲醛和亚硫酸钠对木质素进行高温磺化，Matsushita研究了利用羟甲基磺酸钠在150t:的条件下磺化2小时，得到了硫含量为11.4%的木质素磺酸盐(BioresourceTechnology,2005，96:465~470)。这些方法普遍采取高温、高压磺化，所需的反应时间也较长。苛刻的反应条件限制了碱木质素磺化改性的工业应用。此后，人们开始探索在常压下对碱木质素进行磺化。目前，常压下的磺化反应一般都是先活化碱木质素，在其内部引入容易反应的活性的官能团，进而在常压下进行磺化。目前报道的改性方法集中于碱木质素的前期活化处理，中国专利CN1304950报道用卤代烷烃为烷基化试剂，向木质素磺酸盐分子上引入烷基链，提高反应活性。专利CN1174030C和CN1434068中公布了一种利用造纸黑液制备木质素磺酸盐的方法，该方法利用甲醛对木质素进行接枝，增加其羟甲基含量，使之可以在低于10(TC的条件下与亚硫酸钠反应，得到具有一定磺化度木质素磺酸盐。通常的报道在低于10(TC的条件下反应制备的木质素磺酸盐的磺化度在l.5mmol/g以下。单纯的通过提高木质素反应活性再磺化对于制备的木质素磺酸盐的磺化度的提高作用是有限的，本发明技术通过引发木质素的自由基降解，同时协同在微波辐射下使用多聚甲醛增加碱木质素中的活性羟基及增加垸基链的长度，再进行磺化反应，制备高磺化度、水溶性的木质素磺酸钠。
发明内容本发明是针对以上的问题，提供一种在磺化度高于3mmol/g的高磺化度木质素磺酸钠的制备方法。本发明的目的通过如下技术方案实现一种制备高磺化度木质素磺酸钠的方法，包括以下步骤(1)取100重量份的麦草碱木质素，加入蒸馏水250350重量份水，搅拌，用稀硫酸调整溶液的pH值至24,过滤，得麦草碱木质素沉淀物；(2)将步骤(1)所得麦草碱木素沉淀物溶于300500重量份质量浓度为23。/。的Na0H溶液中，水浴加热至4555°C，将自由基引发剂加入到麦草碱木质素溶液中，升温至6575"C下进行木质素的自由基降解反应1050分钟;所述自由基引发剂为530重量份的过硫酸铵和25重量份的硫酸亚铁；(3)在步骤(2)中的溶液中加入715重量份多聚甲醛，在250350W功率的微波辐射下，控制温度为708(TC，反应1020分钟；(4)将2050重量份亚硫酸钠磺化剂加入到步骤(3)反应所得产物中，在微波功率为300W1200W微波辐射下，调节温度到8090'C，磺化反应1.02.5小时，反应结束后，产物加酸调节pH值至6，离心除去不溶物，喷雾千燥得到深褐色木质素磺酸钠粉末。所述步骤(2)中的NaOH质量浓度优选为2.5。/0。所述步骤(3)中施加的微波功率优选为300W。所述步骤(4)外加微波场作用于碱木质素的磺化反应中，微波功率优选为500W1000W。所述步骤(4)中反应后产物经喷雾干燥得到深褐色木质素磺酸钠粉末。所述自由基引发剂加入到麦草碱木质素溶液中是将自由基引发剂溶于4060重量份水中配成水溶液滴加入到麦草碱木质素溶液中。所述亚硫酸钠磺化剂是溶解于4060重量份水中配成水溶液后再加入到步骤(3)反应所得产物中。本发明以造纸废液的副产品麦草碱木质素为主要原料，利用自由基降解碱木质素和微波辐射下羟烷基化及磺化的协同作用，使用多聚甲醛增加木质素中的活性羟基及增加垸基链的长度，再进行磺化反应，从而大大提高了碱木质素引入磺酸根基团含量，制备高磺化度的木质素磺酸钠，其磺化度高于3醒o1/gQ本发明与现有技术相比具有如下突出优点和效果1、本发明制备高磺化度木质素磺酸钠的方法中，羟烷基化和磺化反应在微波辐射下进行，协同碱木质素的自由基降解，反应时间短，效率高。与目前高温高压磺化工艺相比，无需使用高压设备、过程易于控制的优点；与单纯的前期活化碱木质素的磺化工艺相比，由于发挥了碱木质素的活化并协同微波辐射下降低了羟烷基化、磺化反应的活化能，使得在常压下制备的木质素磺酸钠产品可达到3.193.64mmol/g的高磺化度，在中性水溶液中的溶解性达到97100%。本发明适用于麦草碱木质素。2、采用本发明的制备方法，提高了制桨造纸副产品的利用价值，从而促进工厂对其回收的积极性，因此，本发明具有经济和环保双重效应。具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是实施例并不构成对本发明保护范围的限定。实施例1取100g的麦草碱木质素，加入蒸馏水300g，搅拌30分钟后用稀硫酸(10%Wt)调整溶液的pH值至3，过滤。沉淀物中加入2.5wt^NaOH溶液400g，边搅拌边加热到50。C，滴加含5g过硫酸铵、2g硫酸亚铁的水溶液50g，同时缓慢升温至65t:进行自由基降解反应，反应10分钟；在搅拌的状态下，滴加7g多聚甲醛(聚合度8100，上海汇申化工有限公司)，充分搅拌均匀后，置于变频微波反应器中，调节功率为300W，控制温度为70°C，反应10分钟后加入含20g亚硫酸钠的水溶液50g。将混合物置于微波反应器内，调节功率为300W，控制温度为85t:，反应1小时。反应结束后，产物加酸调节pH值至6，离心除去不溶物，经喷雾干燥得到深褐色木质素磺酸钠粉状产品。—取100g的麦草碱木质素，加入蒸馏水300g，搅拌30分钟后用稀硫酸(10%Wt)调整溶液的pH值至3，过滤。沉淀物中加入2.5wt^NaOH溶液400g，边搅拌边加热到5(TC,滴加含30g过硫酸铵、5g硫酸亚铁的水溶液50g，同时缓慢升温至75t:进行自由基降解反应，保温30分钟；在搅拌的状态下，滴加12g多聚甲醛(聚合度8100，上海汇申化工有限公司)，充分搅拌均匀后，置于变频微波反应器中，调节功率为300W，控制温度为85t，反应15分钟5后加入含50g亚硫酸钠的水溶液50g。将混合物置于微波反应器内，调节功率为800W，控制温度为95°C，反应2.5小时。反应结束后，产物加酸调节pH值至6，离心除去不溶物，经喷雾千燥得到深褐色木质素磺酸钠粉状产品。实施例3取100g的麦草碱木质素，加入蒸馏水300g，搅拌30分钟后用稀硫酸(10%Wt)调整溶液的pH值至3，过滤。沉淀物中加入2.5wt^NaOH溶液400g,边搅拌边加热到50'C，滴加25g过硫酸铵、4g硫酸亚铁的水溶液50g，同时缓慢升温至75t:进行自由基降解反应，保温50分钟；在搅拌的状态下，滴加15g多聚甲醛(聚合度8100，上海汇申化工有限公司)，充分搅拌均匀后，置于变频微波反应器中，调节功率为300W，控制温度为75°C，反应10分钟后加入含40g亚硫酸钠的水溶液50g。将混合物置于微波反应器内，调节功率为IOOOW，控制温度为85"C，反应2.0小时。反应结束后，产物加酸调节pH值至6，离心除去不溶物，经喷雾干燥得到深褐色木质素磺酸钠粉状产品。实施例4取100g的麦草碱木质素，加入蒸馏水250g，搅拌30分钟后用稀硫酸(10%Wt)调整溶液的pH值至2，过滤。沉淀物中加入2wt^NaOH溶液500g，边搅拌边加热到45"C，滴加20g过硫酸铵、3g硫酸亚铁的水溶液50g，同时缓慢升温至65C进行自由基降解反应，保温20分钟；在搅拌的状态下，滴加10g多聚甲醛(聚合度8100，上海汇申化工有限公司)，充分搅拌均匀后，置于变频微波反应器中，调节功率为250W，控制温度为7(TC，反应20分钟后加入含25g亚硫酸钠的水溶液40g。将混合物置于微波反应器内，调节功率为600W,控制温度为80°C，反应1.5小时。反应结束后，产物加酸调节pH值至7，离心除去不溶物，经喷雾干燥得到深褐色木质素磺酸钠粉状产品。实施例5取100g的麦草碱木质素，加入蒸馏水350g，搅拌30分钟后用稀硫酸(10%Wt)调整溶液的pH值至4，过滤。沉淀物中加入3wtXNaOH溶液300g，边搅拌边加热到55"C，滴加10g过硫酸铵、2g硫酸亚铁的水溶液50g，同时缓慢升温至7(TC进行自由基降解反应，保温40分钟；在搅拌的状态下，滴加10g多聚甲醛(聚合度8100，上海汇申化工有限公司)，充分搅拌均匀后，置于变频微波反应器中，调节功率为350W，控制温度为75-C，反应20分钟后加入含30g亚硫酸钠的水溶液60g。将混合物置于微波反应器内，调节功率为1200W，控制温度为9(TC，反应1小时。反应结束后，产物加酸调节pH值至5,离心除去不溶物，经喷雾干燥得到深褐色木质素磺酸钠粉状产品。实施例效果说明表l是本发明产品与其它工艺发明产物的磺化度和水溶性的比较。表中，水溶性为在pHi的条件下，产品质量浓度为30%条件下测试结果。提纯工艺为称取200g的粗木质素磺酸钠配制成质量百分比为4y。的水溶液，先流经阴离子交换树脂，再流经阳离子交换树脂，以去离子水洗涤，控制交换速度50mL/h，收集经阳离子交换树脂的洗涤液，浓縮，烘干得到提纯产品。羟甲基化、磺化工艺:称取100g碱木质素，加入蒸馏水300g，搅拌30分钟后用稀硫酸(10%Wt)调整溶液的pH值至3，过滤，沉淀物加入2.5wt%NaOH溶液400g，加入5g的甲醛，加热60'C反应80分钟，加入15g的亚硫酸钠，在95'C反应100分钟。氧化、磺甲基化工艺:称取100g碱木质素，加入蒸馏水300g,搅拌30分钟后用稀硫酸(10%Wt)调整溶液的pH值至3，过滤，沉淀物加入2.5wt%NaOH溶液400g，加入15g过氧化氢、lg硫酸亚铁，加热6(TC反应反应lh后，升温至75。C，然后加入15g甲醛(37%Wt)溶液，恒温反应2h。继续升温至90'C，缓慢加入10g无水亚硫酸钠，恒温反应3h。表1不同工艺条件下碱木质素磺化后木质素磺酸钠的性能对比工艺简述磺化度(mmol/g)水溶性经提纯的工业木质素磺酸钠*1.35100%羟甲基化、磺化工艺**0.7875%氧化、磺甲基化工艺*林1.4995%本发明技术实例23.64100%表1数据表明经过提纯后的工业木质素磺酸钠的磺化度为1.35mmol/g,而将碱木质素经羟甲基化一磺化工艺制备的木质素磺酸钠的磺化度为0.78mmol/g，将木质素经过文献报道的常规的氧化、磺甲基化改性后制备的木质素磺酸钠的磺化度为1.49mmol/g，而本发明产品的磺化度可达到3.64mmol/g,大大高于目前报道的木质素磺酸钠的磺化度。以下说明制备的木质素磺酸钠的磺化度测量方法称取5g木质素磺酸钠粉末，用蒸馏水溶解后过滤，滤液定容为250mL，量取15mL加入阴离子树脂管开始交换。用去离子水洗提，流速控制1520滴/秒，使木质素磺酸盐溶液慢慢先流经阴离子交换树脂，再过阳离子树脂。等溶液流至离阳离子树脂滴定管底部约10cm时开始收集洗提液至洗提液呈无色中性。用0.01mmol/mL的NaOH标准溶液滴定洗提液，用电导率仪测定滴定过程中溶液电导率的变化。以电导率对NaOH的消耗体积V作图，曲线突跃中点为等当点。按下式计算磺化度(mmol/g)。磺化度—aw"o//rw。朋m式中N他oH为标准NaOH溶液的摩尔浓度，mmol/mL,V^oH为滴定过程消耗的NaOH的体积，ml，M—放大倍数，本测试中为250/15;Ws—所取木质素磺酸钠的质量，g;Wr—过滤残渣的质量，上述实验重复三次,取平均值。根据上述木质素磺酸钠的磺化度测量方法分别对实施例1-5所得产物进行检测，结果如表2所示。表2本发明实施实例的效J<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2显示经本发明技术实施的实例得到的麦草碱木质素改性反应后获得的木质素磺酸钠的磺化度较高，达到3.193.64mmol/g,高于目前国内外文献所报道所有方法制备的木质素磺酸钠的磺化度，同时制备的木质素磺酸钠具有良好的水溶性，达到97100%。说明本发明技术对于麦草碱木质素转化为木质素磺酸钠具有显著的效果。权利要求1、一种制备高磺化度木质素磺酸钠的方法，其特征在于包括以下步骤(1)取100重量份的麦草碱木质素，加入蒸馏水250～350重量份水，搅拌，用稀硫酸调整溶液的pH值至2～4，过滤，得麦草碱木质素沉淀物；(2)将步骤(1)所得麦草碱木素沉淀物溶于300～500重量份质量浓度为2～3％的NaOH溶液中，水浴加热至45～55℃，将自由基引发剂加入到麦草碱木质素溶液中，升温至65～75℃下进行木质素的自由基降解反应10～50分钟；所述自由基引发剂为5～30重量份的过硫酸铵和2～5重量份的硫酸亚铁；(3)在步骤(2)中的溶液中加入7～15重量份多聚甲醛，在250～350W功率的微波辐射下，控制温度为70～80℃，反应10～20分钟；(4)将20～50重量份亚硫酸钠磺化剂加入到步骤(3)反应所得产物中，在微波功率为300W～1200W微波辐射下，调节温度到80～90℃，磺化反应1.0～2.5小时，反应结束后，产物加酸调节pH值至6，离心除去不溶物，喷雾干燥得到深褐色木质素磺酸钠粉末。2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的Na0H质量浓度为2.5%。3、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中施加的微波功率为300W。4、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(4)外加微波场作用于碱木质素的磺化反应中，微波功率为500W1000W。5、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中反应后产物经喷雾干燥得到深褐色木质素磺酸钠粉末。6、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述自由基引发剂加入到麦草碱木质素溶液中是将自由基引发剂溶于4060重量份水中配成水溶液滴加入到麦草碱木质素溶液中。7、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述亚硫酸钠磺化剂是溶解于4060重量份水中配成水溶液后再加入到步骤(3)反应所得产物中。全文摘要本发明公开了一种制备高磺化度木质素磺酸钠的方法。该方法以造纸废液的副产品麦草碱木质素为主要原料，在常压、65～75℃水浴加热条件下进行自由基降解反应，然后滴加醛类物，在微波辐射条件下反应10～20分钟；再加入含20～50重量份磺化剂水溶液50重量份，在300～1200W微波功率条件下反应1.0～2.5小时，制备了一种具有较高磺化度的木质素磺酸钠。相比于传统的碱木质素磺化反应，本发明技术通过引发木质素的自由基降解，协同配合微波辐射作用，使用多聚甲醛增加木质素中的活性羟基及增加烷基链的长度，再进行磺化反应，制备高磺化度、水溶性的木质素磺酸钠，其磺化度高于3mmol/g。文档编号C08H7/00GK101475604SQ20091003695公开日2009年7月8日申请日期2009年1月23日优先权日2009年1月23日发明者杨东杰,柯丽瑄,欧阳新平,邱学青申请人:华南理工大学