碳水化合物的选择性转化研究

发布时间：2017-05-13 00:01

  本文关键词：碳水化合物的选择性转化研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：催化可再生的碳水化合物(纤维素,半纤维素等)转化为高附加值的平台化学品,能够降低人类社会发展对化石资源的依赖性,有利于缓解当前严重的能源危机和环境污染问题,对于保障我国能源、资源及社会安全,推动我国可持续发展具有重要意义。本论文研究了在亚临界双相和单相溶剂体系中,碳水化合物在酸性催化剂或者无催化剂作用下转化为平台化学品的性能及规律,并根据产物分布情况对反应过程进行相应的总结。具体研究内容如下:(1)构建了酸性离子液体-甲基异丁基酮(MIBK)/H2O双相催化体系,研究了该催化体系中蔗渣等多种典型的农业废弃物中碳水化合物(纤维素和半纤维素)的催化转化及木质素的分离。在该催化体系中,原料在水相中发生碳水化合物的酸催化解聚,并释放结构相对稳定的木质素组分。而木质素则被有机相萃取保护起来,以有机溶剂型木质素的形式存在。实现了“一锅法”催化转化原生生物质中的碳水化合物和分离木质素。研究发现,在优化的条件下蔗渣的转化率为85.8%,水溶性产物的产率和木质素的脱除率分别为71.4%和76.3%;(2)研究了系列磺酸功能化离子液体催化纤维素在生物丁醇中转化为全生物质基乙酰丙酸丁酯的性能。并系统考察了催化剂的酸强度,用量,反应温度,时间和溶剂对纤维素转化效率和产物分布规律的影响。结果表明,以酸度最强的功能化离子液体1-(4-磺酸丁基)-3-甲基咪唑硫酸氢盐([C4H8SO3Hmim]HSO4)为催化剂,在0.5 mmol催化剂用量、20 m L的溶剂用量、180 oC的反应温度下反应45 min后,纤维素的转化率高达98.4%,乙酰丙酸丁酯的产率为31.1%,同时共生产物甲酸丁酯、水溶性产物和生物油的产率分别为33.4%、20.6%和23.8%;(3)在无催化剂条件下,探索了以果糖为模型化合物在亚临界溶剂中脱水转化的规律。详细研究了反应温度和时间对果糖转化率和产物产率的影响。结果发现,在无催化剂反应体系中,5-羟甲基糠醛的产率很低而副产物的产率较高。通过质谱分析发现副产物是由果糖分子间脱水形成的低聚糖组成。另外,通过对比不同的溶剂对果糖转化性能的影响发现,水可以作为无催化剂存在下果糖转化为5-羟甲基糠醛的优良反应介质;(4)研究了果糖基碳水化合物在无催化剂的MIBK/H2O双相体系中自催化转化为5-羟甲基糠醛的性能,并开发了新型的产物分离纯化方法。在该体系中,果糖在水相中完成自催化转化为5-羟甲基糠醛的过程之后,产物则富集于有机相中。在优化的条件下,果糖的转化率和产率可以达到96.8%和73.6%。该无催化剂双相体系具有较好的应用性,可以实现高浓度的果糖转化和不同种类的原料转化。此外,我们发展的Na OH中和法,用于该双相体系中产物的分离与纯化,实现了5-羟甲基糠醛的高效回收(回收率99%)和纯化(纯度98%)。因此,所构建的自催化双相反应体系及所发展的Na OH纯化方法,对5-羟甲基糠醛的工业化生产及工艺流程的设计等具有较好的参考作用。本论文所构建的双相或者单相催化体系在生物质资源的利用方面具有重要的指导意义,为高效的利用原生生物质或者工业级碳水化合物制备平台化学品提供了良好的思路。
【关键词】：碳水化合物 催化转化 双相体系 过程强化 5-羟甲基糠醛
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ251.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-49
• 1.1 前言13
• 1.2 生物质资源概述和碳水化合物研究现状13-16
• 1.2.1 植物生物质的组成14-15
• 1.2.2 碳水化合物研究现状15-16
• 1.3 选择性催化转化碳水化合物16-27
• 1.3.1 催化碳水化合物转化为呋喃类化学品16-19
• 1.3.2 催化碳水化合物转化为有机酸类化学品19-25
• 1.3.3 催化碳水化合物转化为多元醇类化学品25-26
• 1.3.4 催化碳水化合物转化为烷基糖苷26-27
• 1.3.5 催化碳水化合物转化为烷烃燃料27
• 1.3.6 催化碳水化合物转化为生物碳材料27
• 1.4 过程强化27-29
• 1.4.1 双相体系28
• 1.4.2 连续过程28-29
• 1.5 能量输入方式29-30
• 1.5.1 传统加热29-30
• 1.5.2 微波加热30
• 1.6 亚临界溶剂30-31
• 1.7 选题目的、意义及主要研究内容31-32
• 1.7.1 选题目的与意义31-32
• 1.7.2 研究主要内容32
• 参考文献32-49
• 第二章 双相体系中催化蔗渣高效转化及脱木质素研究49-67
• 2.1 引言49-50
• 2.2 实验部分50-54
• 2.2.1 原料及试剂50-51
• 2.2.2 催化剂的制备51-52
• 2.2.3 实验方法52
• 2.2.4 产物的分离与表征52-54
• 2.3 结果与讨论54-63
• 2.3.1 反应体系的构建54-57
• 2.3.2 MIBK中挥发性物质分析57-58
• 2.3.3 木质素结构分析58-61
• 2.3.4 水溶性产物分析61-62
• 2.3.5 残渣分析62-63
• 2.4 本章小结63-64
• 参考文献64-67
• 第三章 双相体系过程因素分分析析67-82
• 3.1 引言67
• 3.2 实验部分67
• 3.2.1 原料、试剂、仪器及实验方法67
• 3.3 结果与讨论67-79
• 3.3.1 反应过程影响因素分析67-73
• 3.3.2 反应过程分析73-74
• 3.3.3 物料平衡分析74-76
• 3.3.4 底物拓展76-79
• 3.4 本章小结79-80
• 参考文献80-82
• 第四章 酸性离子液体催化纤维素转化为乙酰丙酸丁酯82-100
• 4.1 引言82-83
• 4.2 实验部分83-85
• 4.2.1 原料及试剂83
• 4.2.2 实验方法83
• 4.2.3 产物的分离与检测83-85
• 4.3 结果与讨论85-95
• 4.3.1 催化剂活性的影响85-88
• 4.3.2 影响因素分析88-92
• 4.3.3 催化剂的重复使用性能92-94
• 4.3.4 残渣分析94-95
• 4.4 本章小结95-96
• 参考文献96-100
• 第五章 无催化剂条件下果糖脱水转化性能研究100-111
• 5.1 引言100-101
• 5.2 实验部分101-102
• 5.2.1 原料、试剂及仪器101
• 5.2.2 实验方法101
• 5.2.3 产物的检测101-102
• 5.3 结果与讨论102-108
• 5.3.1 反应温度和时间对果糖转化率的影响102-103
• 5.3.2 反应温度和时间对HMF产率的影响103
• 5.3.3 中间体分析103-105
• 5.3.4 H NMR分析105-106
• 5.3.5 反应动力学分析106-107
• 5.3.6 果糖的浓度对其脱水性能的影响107
• 5.3.7 果糖在不同溶剂中的脱水性能107-108
• 5.4 本章小结108
• 参考文献108-111
• 第六章 双相体系中果糖自催化转化制备 5-羟甲基糠醛111-130
• 6.1 引言111
• 6.2 实验部分111-113
• 6.2.1 原料、试剂及仪器111
• 6.2.2 实验方法111
• 6.2.3 产物的分析检测111-113
• 6.2.4 HMF的分离与纯化113
• 6.2.5 固体残留物的红外分析（FT-IR）113
• 6.3 结果与讨论113-127
• 6.3.1 双相体系的构建113-115
• 6.3.2 过程参数分析115-117
• 6.3.3 反应底物分析117-119
• 6.3.4 产生的有机酸对果糖转化性能的影响119-120
• 6.3.5 反应过程中碳平衡分析120-122
• 6.3.6 HMF的分离与纯化122-127
• 6.4 本章小结127
• 参考文献127-130
• 结论130-132
• 攻读博士学位期间取得的研究成果132-134
• 致谢134-135
• 附件135

【参考文献】

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3 王莉;吕婷;阮枫萍;邓德刚;徐时清;;水热法制备的荧光碳量子点[J];发光学报;2014年06期

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5 王敬娴;吴芹;黎汉生;甄彬;;酸性离子液体及其在催化反应中的应用研究进展[J];化工进展;2008年10期

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9 龙金星;郭斌;李雪辉;王芙蓉;王乐夫;;复合离子液体中纤维素的催化分解(英文)[J];物理化学学报;2011年05期

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1 刘金朋;基于资源与环境约束的中国能源供需格局发展研究[D];华北电力大学;2013年

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