高温液态水中单糖分解反应动力学研究

摘要

随着不可再生资源的日益消耗,从可再生生物质资源尤其是木质纤维素类生物质出发制备新型平台化合物越来越引起关注.木质纤维素转化的途径之一是水解生成单糖(葡萄糖、木糖),单糖再进一步分解生成化学品.其中单糖的生成和降解是影响整个反应过程选择性的关键步骤.木质纤维素水解一般采用液体酸作为催化剂,存在对设备腐蚀严重、污染环境等问题.围绕高温液态水中生物质资源绿色转化这一目标,本文开展了以下研究工作. 利用搅拌高压反应釜研究了研究了压力10MPa,温度180℃至220℃范围内高温液态水中葡萄糖无催化分解反应动力学.实验结果表明:葡萄糖在实验范围内可完全分解,分解反应符合一级反应,分解反应活化能为 118.85 kJ/mol.反应主要产物为5-羟甲基糠醛、果糖、甲酸、乙酰丙酸和腐殖质.实验范围内5一羟甲基糠醛最大产率为32.0 mol﹪,乙酰丙酸最大产率为2.0 mol﹪. 研究了压力10MPa、温度180℃至260℃范围内高温液态水中5-羟甲基糠醛无催化分解反应.实验结果表明,5-羟甲基糠醛在实验范围内可完全分解,分解反应符合一级反应,分解反应活化能为95.40 kJ/mol.反应主要产物为甲酸、乙酰丙酸和腐殖质,同时还有两种未知产物需进一步定性. 研究了压力10MPa、温度220℃至280℃和反应时间4h至32h范围内,高温液态水中乙酰丙酸稳定性.实验结果表明:高温液态水中乙酰丙酸很稳定,280℃、乙酰丙酸反应32小时,其转化率仅为7.0 mol﹪.乙酰丙酸分解反应符合一级反应,分解反应活化能为 31.29 kJ/mol. 在上述研究的基础上提出了10MPa,温度180℃至220℃范围内高温液态水中葡萄糖带有平行反应的一级连续降解动力学模型,从实验数据拟合得到了模型参数,模型计算值与实验数据符合良好,表明模型能很好地描述葡萄糖降解过程. 研究了压力10MPa下,温度180℃至220℃范围内高温液态水中木糖无催化分解反应动力学.实验结果表明,木糖在实验范围内可完全分解,反应产物为糠醛、甲酸和腐殖质,糠醛最大产率为50.6 mol﹪.提出了由木糖降解生成糠醛的带有平行反应的一级连续降解动力学模型,从实验数据拟合得到了模型参数,模型计算值与实验数据符合良好,表明模型能很好地描述木糖降解过程,木糖分解反应活化能为123.27 kJ/mol. 为了提高高温液态水中乙酰丙酸产率,本文探索利用35w大孔磺酸树脂催化葡萄糖或果糖制备乙酰丙酸.同时也研究了35w大孔磺酸树脂催化木糖制备糠醛. 利用微型水热合成釜研究了130℃至160℃范围内,不同催化剂量、不同温度对乙酰丙酸产率的影响.实验结果表明:实验范围内树脂催化葡萄糖、果糖生成乙酰丙酸的产率均高于无酸催化下产率;葡萄糖生成乙酰丙酸的最高产率为27.4 mol﹪,果糖生成乙酰丙酸的最高产率为49.7 mol﹪. 同时研究了140℃至160℃范围内,不同催化剂量、不同温度对木糖制备糠醛产率的影响.木糖生成糠醛的最高产率为26.3 mol﹪.

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1前言

1.2生物质资源的利用研究进展

1.2.1木质纤维素生物质的利用研究进展

1.2.2木质纤维素的结构和性质

1.2.3木质纤维素的转化技术

1.2.4纤维素生物质制备平台化合物

1.3高温液态水的应用和研究概况

1.3.1高温液态水的性质

1.3.2高温液态水中的有机化学反应研究概况

1.4高温液态水中糖的转化研究

1.4.1高温液态水中多糖的转化

1.4.2高温水中低聚糖的转化

1.4.3高温水中单糖的转化

1.5高温液态水中碳水化合物降解的两种重要产物

1.5.1 5-羟甲基糠醛

1.5.2乙酰丙酸

1.6论文选题及研究内容

参考文献

第二章高温液态水中葡萄糖分解反应动力学

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂

2.2.2实验装置

2.2.3实验过程

2.2.4液相产物分析

2.2.5液相有机碳分析

2.2.6反应物转化率及产物产率计算

2.3结果与讨论

2.3.1葡萄糖的降解反应

2.3.2 5-HMF降解反应

2.3.3乙酰丙酸降解反应

2.3.4葡萄糖降解反应动力学模型

2.4小结

符号说明

参考文献

第三章高温液态水中木糖分解反应动力学

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂

3.2.2实验装置与步骤

3.2.3分析

3.2.4反应物转化率及产物产率计算

3.3结果与讨论

3.3.1分解产物

3.3.2温度和反应时间对木糖转化率的影响

3.3.3糠醛降解实验

3.3.4反应液相有机碳分析

3.3.5反应动力学模型

3.3.6讨论

3.4小结

符号说明

参考文献

第四章强酸树脂催化单糖分解反应动力学

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1实验试剂

4.2.2实验装置

4.2.3反应物转化率及产物产率计算

4.3结果与讨论

4.3.1小釜控温实验

4.3.2葡萄糖分解反应

4.3.3果糖分解反应

4.3.4木糖分解反应

4.4小结

参考文献

第五章总结与建议

5.1结论

5.2建议

创新性声明

攻读博士学位期间撰写和发表的论文、专利

致谢