金属氧化物水热条件下氧化微藻产乙酸的研究

摘要

随着化石燃料的不断消耗和环境问题的日趋恶化,开发清洁的可再生能源已经成为了世界性问题。生物质能作为唯一可再生的碳资源,受到诸如美国、日本、印度、巴西等国的重视。美国《科学》杂志认为以粮食作物为原料制造的生物燃料可能反而有加重温室气体的后果,因此开发新型的生物质能源尤为重要。微藻类生物质是一类在陆地、海洋分布广泛,光合效率高、开发潜力巨大的自养生物质,微藻能源的利用与开发对我国减少进口石油的依赖和保障国家能源安全具有重大意义。
　　当今各国对微藻生物质资源化的研究还比较少,属于较新课题。我们课题组已对葡萄糖、纤维素等生物质水热条件做过产甲酸、乙酸等研究,但未对微藻生物质类作过相关研究。本文选取蓝藻(螺旋藻)和绿藻(小球藻)为研究对象,采用环境友好的水热条件技术,探讨金属氧化物作为作为固体氧化剂,氧化转化藻类生物质产高附加值化工产物的有机酸的可行性,并进一步研究其反应条件的影响,条件优化及其相关机理。
　　本文发现碱性条件促进微藻水热转化乙酸等高附加值产品,通过对7种金属氧化物的氧化产有机酸进行可行性研究和筛选,发现CuO和ZrO2氧化促进藻产乙酸的效果最明显,MnO2,TiO2等其他金属氧化物对乙酸产率的提升不明显。在详细研究CuO氧化微藻产乙酸的研究中,发现产物中乙酸的含量最多,还包括甲酸、丙酸、丁酸、异戊酸等。同时,反应后收集的固体中,CuO被还原为Cu2O和单质Cu,在实验条件金属氧化量、反应时间、反应温度、水填充率和碱度等条件的优化。CuO氧化微藻产乙酸的最佳总产率最高可达35％,条件:0.55 g氧化铜,2 mol/L NaOH,300 ℃反应温度,60%水填充率,2 h反应时间。此外,也进行了ZrO2氧化微藻产乙酸的研究,ZrO2被还原为ZrO,结果表明,ZrO2氧化微藻产乙酸的最佳总产率最高可达23%,条件:0.43g二氧化锆,2 mol/L NaOH,300 ℃反应温度,50%水填充率,2h反应时间。最后,提出了金属氧化物水热氧化微藻产乙酸的反应机理,并且用模型化合物丙氨酸,葡萄糖和十六烷酸验证了藻产水热产乙酸的机理。
　　利用水热氧化技术,本研究结果开拓了一种金属氧化物氧化微藻产乙酸实现生物资源化的新途径,在收获乙酸产品的同时,还原金属单质为开发一种绿色冶炼的新技术提供新思路。因此本研究不仅可以实现生物质的资源化,一定程度为资源问题和温室效应提供了解决方向和思路。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 微藻的资源化利用

1.3 水热技术的应用进展

1.4 水热氧化还原金属

1.5 本文研究目的、内容和意义

第二章 金属氧化物水热氧化微藻产乙酸的可行性

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果分析与讨论

2.4 小结

第三章 CuO水热氧化微藻产乙酸的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 反应产物分析

3.4 结果分析和讨论

3.5 微藻氧化产乙酸反应机理的探讨

3.6 本章小结

第四章 ZrO2水热氧化微藻产乙酸的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 反应产物分析

4.4 结果分析和讨论

4.5 TiO2与CuO、ZrO2水热氧化的比较

4.6 本章小结

第五章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参 考 文 献

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果