一锅法催化生物质制取5-乙氧基甲基糠醛试验研究

摘要

我国每年会产生大量的农作物秸秆等废弃生物质，这些资源大部分被直接燃烧而没被有效利用，一方面造成了资源的浪费，另一方面带来了环境污染问题，如能利用其生产高附加值的化工材料和能源将为秸秆等废弃生物质提供一条资源化利用途径。5-乙氧基甲基糠醛（5-Ethoxymethylfurfural，EMF）是一种环境友好的燃油和燃油添加剂替代产品，具有与汽油相近的能量密度和更少的燃烧排放物，被认为是极具潜力的新型替代生物燃料。利用超低酸催化产量巨大的秸秆类生物质一锅法制备EMF无疑将会大大降低其生产成本，提高EMF的市场竞争力。
　　生物质秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中纤维素和半纤维素在酸性条件下可以水解为糖类，因此本文选取了果糖、葡萄糖、纤维素为原料，首先利用0.1wt％的酸在乙醇体系中一锅法催化制备EMF，考察反应温度、反应时间、底物浓度和催化剂用量等因素对反应的影响，并在单因素试验结果基础上，设计响应面试验，得到超低酸一锅法催化生物质糖类制备EMF最佳工艺条件。由于超低酸直接催化玉米秸秆的效果极差，因此，以超低酸和USY分子筛混合催化体系催化玉米秸秆制备EMF，固定酸用量为0.1wt%，考察了反应温度、反应时间、底物浓度和USY催化剂用量对反应的影响，并在单因素试验的基础上进行了响应面优化试验，得到如下结论：
　　1.对于果糖、葡萄糖和纤维素，浓硫酸用量均为0.1wt%（乙醇质量的0.1%），通过单因素和响应面试验发现，果糖的最优反应条件为反应温度为120℃、反应时间为60min、底物浓度为40g/L（底物质量/乙醇体积），EMF转化率为79.3%；葡萄糖的最优反应条件为反应温度210℃、反应时间14min、底物浓度20g/l，EMF转化率达到22.3%；纤维素最佳反应条件为反应温度200℃、反应时间60min、底物浓度30g/l，EMF转化率达到14.4%。结果说明，超低酸对果糖制备EMF反应的催化效果较为显著，但对于葡萄糖和纤维素的催化效果逐渐减弱。
　　2.利用超低酸催化玉米秸秆-乙醇体系制备EMF，改变玉米秸秆的粒度、反应温度、反应时间等反应条件，结果发现EMF转化率极低，最高达到9%；利用0.1wt%的超低酸与固体酸USY混合催化玉米秸秆在乙醇体系中一锅法制备EMF，首先利用反应温度、反应时间、底物浓度和USY催化剂用量进行单因素试验，然后利用4因素3水平响应面试验方法优化制备过程，得到玉米秸秆一锅法制备EMF的最优反应条件为：USY用量为1%，反应温度为210℃，反应时间120min，玉米秸秆浓度为20g/L，EMF的转化率为33.1%。

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中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 生物质的转化和利用

1.3 EMF的性质与应用

1.4 EMF的研究进展

1.5 本课题的研究内容和技术路线

2 试验方法和测试方法

2.1试验材料与仪器

2.2 试验步骤

2.3 分析方法

3 超低酸催化果糖制备EMF

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 超低酸催化葡萄糖制备EMF

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 超低酸催化纤维素制备EMF

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 超低酸/USY催化玉米秸秆制备EMF

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.3 结果与讨论

6.4 原料收率对比

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

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