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催化水解纤维素制备高附加值化学品

作　者: 来大明
导　师: 郭庆祥
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 有机化学
关键词: 生物质纤维素离子液体固体酸 5-羟甲基糠醛水解磁性材料
分类号: TQ352.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

20世纪以来,传统化石燃料的日趋枯竭加剧了世界范围内的能源紧张,开发新的可代替能源成为全世界面临的重大问题。生物质主要包括农业生产的废弃物和剩余物、林木和草类,储量丰富,是世界上储量最为丰富的可再生资源,具有替代石油基产业的潜力。纤维素是生物质的主要成分,它是由葡萄糖单元经beta-1,4糖苷键链接而成,而每个葡萄糖链之间通过氢键链接形成了超分子结构,这种致密结构使得纤维素很难被降解。本文主要从反应溶剂体系和催化剂分离体系的角度对纤维素水解这个重要的课题开展研究。本研究在离子液体氯化1-乙基-3-甲基咪唑（[EMIM]Cl）、氯化1-丁基-3-甲基咪唑（[BMIM]Cl）、氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑（[AMIM]Cl）三种体系中直接转化纤维素制备HMF,考察了不同酸性催化剂、三氯化铬用量、纤维素浓度以及含水量对HMF产率的影响.以盐酸为催化剂,HMF的产率达到50%.同时尝试了以酸性的离子液体（[BMIM]HSO₄）和（[BMIM] H₂PO₄）作为溶剂和催化剂直接催化水解纤维素。对纤维素水解生成HMF反应的动力学进行了研究并建立了简单的动力学模型,研究表明,总反应包括一个一级反应和两个连续的零级反应。大量的研究致力于用酸和酶水解纤维素,但是从反应残余液中分离产物和催化剂非常耗能。基于此生物质水解的实际过程,我们首次设计合成了磁性的固体酸催化剂以解决催化剂分离的问题,通过透射电镜分析、X-射线衍射分析和比表面积测定显示纳米四氧化三铁颗粒很好的被包裹在二氧化硅中,催化剂表现为高度有序的介孔结构。在催化效果方面,催化剂对不同的生物质原料包括纤维二糖、淀粉、纤维素显示了较好的水解效果。水解纤维二糖可以得到96 %的葡萄糖,水解无定形纤维素50 %产率的葡萄糖。为了证明该催化剂能够水解木质纤维素,我们选择未经处理的玉米芯为原料,得到45%的总还原糖产率。重要的是,通过使用这种新的催化剂,我们省去了催化剂分离和反应液浓缩的步骤,该催化剂循环使用三次其水解效果没有明显下降。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-13
  1.1 引言  9-11
  参考文献  11-13
第2章生物质简介  13-24
  2.1 生物质资源  13
  2.2 纤维素结构与性质  13-16
  2.3 纤维素化学  16
  2.4 半纤维素的结构与应用  16-19
    2.4.1 半纤维素的结构与性质  16-17
    2.4.2 半纤维素的应用  17-19
      2.4.2.1 纤维素的氧化反应  17-18
      2.4.2.2 纤维素的降解  18-19
  2.5 木质素的结构与应用  19-22
    2.5.1 木质素的结构  19-20
    2.5.2 木质素的应用  20-22
      2.5.2.1 木质素的氢化  20
      2.5.2.2 木质素的氧化与裂解  20-21
      2.5.2.3 木质素的水解  21
      2.5.2.4 木质素的液化  21-22
  参考文献  22-24
第3章生物质水解  24-35
  3.1 生物质酸水解  24-25
    3.1.1 生物质稀酸水解  24
    3.1.2 生物质浓酸水解  24-25
  3.2 超临界水解  25
  3.3 生物质酶水解  25-26
  3.4 纤维素水解新路线  26-28
    3.4.1 离子液体水解法  26-27
    3.4.2 非均相催化纤维素水解法  27-28
  3.5 纤维素水解制备高附加值化学品  28-32
    3.5.1 糠醛生产  28
    3.5.2 5-羟甲基糠醛生产  28-29
    3.5.3 乙酰丙酸生产  29-31
    3.5.4 丁二酸生产  31-32
  参考文献  32-35
第4章离子液体中水解纤维素制备5-羟甲基糠醛  35-45
  4.1 引言  35-36
  4.2 实验部分  36-37
    4.2.1 实验仪器与试剂  36
    4.2.2 实验过程  36-37
      4.2.2.1 离子液体的制备  37
      4.2.2.2 反应过程  37
      4.2.2.3 产率的计算  37
  4.3 结果与讨论  37-42
    4.3.1 溶解时间对纤维素结晶度的影响  37-38
    4.3.2 产物的液相色谱分析  38
    4.3.3 不同催化剂的催化性能  38-40
    4.3.4 其它因素对HMF 产率的影响  40-41
    4.3.5 纤维素生成HMF 的动力学模型  41-42
  4.4 总结  42-43
  参考文献  43-45
第5章磁性固体酸水解纤维素  45-55
  5.1 引言  45-46
  5.2 磁性固体酸制备及表征  46-49
    5.2.1 催化剂制备  46-47
    5.2.2 催化剂表征  47-49
      5.2.2.1 X-射线衍射  47-48
      5.2.2.2 N2 吸附-脱附等温线  48-49
      5.2.2.3 透射电镜  49
      5.2.2.4 电子能谱  49
  5.3 结果与讨论  49-52
    5.3.1 实验方法  49-50
    5.3.2 不同原料的水解结果  50-52
  5.4 催化剂的分离与循环  52-54
    5.4.1 催化剂的分离  52-53
    5.4.2 催化剂的循环  53-54
  5.5 总结  54-55
参考文献  55-57
致谢  57-58
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  58

催化水解纤维素制备高附加值化学品

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