竹炭基固体磺酸催化剂的制备、结构表征和性能研究

摘要

固体酸替代液体酸催化剂广泛应用于化工生产、分离和净化等领域。固体酸作为一类新型催化剂，具有酸强度高、催化活性好、易分离、无腐蚀及对环境友好等优势。竹子作为一类生长快、易更新的草本植物，在很多国家含量丰富。 本论文利用储量丰富、价格低廉的竹子为原料，通过用硫酸炭化、用发烟硫酸磺化制备了一种新的固体酸催化剂：竹炭基固体磺酸，并对炭化、磺化条件进行了优化。制备的所有竹炭基固体磺酸都用氢氧化钠进行了酸量滴定，并对在较优条件下用竹粉制备的催化剂采用X射线衍射、红外光谱、热重分析和拉曼光谱等多种现代测试手段进行结构表征。为进一步考查竹炭基固体磺酸的催化活性和活性稳定性，本论文用该催化剂催化了乙酸的酯化反应和蒎烯的水合反应。根据表征分析及实验结果得出以下结论： 竹粉炭化的较优条件是：硫酸的浓度为80％，炭化温度为80℃，竹粉硫酸质量比为1：8，炭化时间为3h。竹炭磺化的较优条件是：磺化温度为80℃，磺化时间为2h，竹炭发烟硫酸质量比为1：5。以生长期为三年的绿竹的中壁上部制成的竹颗粒为原料制备的催化剂比绿竹其它部位制备的含酸量高。以竹粉为原料，在较优条件下炭化、磺化制备的催化剂含酸量为2.05 mmol.g-1。 从催化剂表征结果我们可以推断出竹粉在炭化过程中被部分炭化，纤维素与半纤维素的结构被完全破坏，而木质素的网状结构被部分保留，芳香环互相连结成层，构成了含少量石墨微晶的无定形碳： 在磺化过程中磺酸基团取代芳环上的氢原子，构成了固体磺酸。 用竹炭基固体磺酸催化乙酸乙酯的合成，乙酸0.150 mol，乙醇0.050 mol，催化剂用量0.060g，为反应物总料量的0.53％，回流温度反应1.5h，乙酸乙酯的收率高达93.63％。竹炭基固体磺酸在催化乙酸与几种不同醇的酯化反应中均表现出了良好的催化活性。 竹炭基固体磺酸能有效地催化α-蒎烯直接水合，得到以α-松油醇为主的水合产物，以苧烯、莰烯等为主的异构化产物。竹炭基固体磺酸为催化剂，丙酮为溶剂，反应物配比α-蒎烯与水的摩尔比为1：4，于60℃条件下反应12h，α-蒎烯转化率可达89.61％，α-松油醇的选择性为41.57％。 竹炭基固体磺酸作为固体酸催化剂不但有较高的含酸量，还有较好的催化活性。它的制备过程简单方便，易于操作，且产量高，效果好。竹炭基固体磺酸在催化酯化反应和α-蒎烯水合反应时，表现出了很好的催化活性，且重复利用效果良好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1竹炭的研究概况

1.2本课题的研究内容及意义

第二章竹炭基固体磺酸的制备和结构表征

2.1引言

2.2实验内容

2.3实验结果与讨论

2.4本章小结

第三章竹炭基固体磺酸催化乙酸酯化反应

3.1引言

3.2实验内容

3.3实验结果与讨论

3.4本章小结

第四章竹炭基固体磺酸催化α-蒎烯水合反应

4.1引言

4.2实验内容

4.3实验结果与讨论

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的相关论文

致谢