木质素在碱水体系中的催化解聚研究

摘要

化石能源的大量使用给脆弱的生态环境带来了巨大的伤害，也是当今社会能源冲突的根源，这些都严重威胁着人类社会的进步，因此发展可再生能源具有重要的意义。生物质能作为一种来源极其广泛的可再生资源，未来可以在很大程度上替代化石能源。木质素来源于生物质，并且储量丰富，更是自然界中唯一一种可以大规模制备芳香族化学品和液体燃料的可再生原料。然而，木质素特殊的结构使得它具有物理稳定性和化学惰性，利用起来非常困难，大部分情况下都是作为垃圾处理，这既会污染环境，也是对能源的浪费。因此，寻找一种高效的木质素解聚手段具有迫切的现实意义。
　　针对木质素的解聚体系以有机溶液为主的现状，本文提出了碱水溶液的反应体系，可以在一定程度上降低成本，减少对操作人员的健康损害，并在此基础上开展了以下两类实验:
　　1、C60/Bi2TiO4F2可见光催化解聚木质素
　　光催化是一个强氧化过程，对于结构致密的木质素来说，光催化产生的氧化基团可以较容易地断裂其中的化学键，因此可以在温和的条件下实现木质素的解聚。可见光催化可以将太阳光中能量占比很大的可见光利用起来，实现太阳能和生物质能的高效综合利用。
　　为了和C60/Bi2TiO4F2的催化活性对比，本文同时研究了Bi2TiO4F2、 C60/TiO2可见光催化解聚木质素的性能。催化剂的发光光谱和紫外-可见光光谱表明C60/Bi2TiO4F2拥有最大的电荷分离效率和电子-空穴迁移率。实验中，研究了溶液初始pH、木质素初始浓度、C60负载量对单体产物收率的影响，结果表明C60/Bi2TiO4F2的催化效果最佳。C60/Bi2TiO4F2光催化解聚木质素的最佳反应条件是:溶液初始pH为7、1.25g/L木质素、1％C60含量。同时也对三种催化剂进行了稳定性实验，以研究其失活情况。
　　2、稀土氧化物催化解聚木质素
　　稀土氧化物催化解聚木质素的反应是在高温高压的条件下进行的，可以较大量地处理木质素。实验中，分别以CeO2和La2O3为催化剂在不同温度下解聚木质素。对于木质素反应液，先后使用乙醚和乙酸乙酯来萃取，得到两种萃取物以及残渣，并通过比较萃取物和残渣的收率来分析催化剂的性能。同时对单体产物进行了定性和定量分析，发现其主要组成是苯酚、2-甲氧基-4-丙基苯酚、2-甲氧基苯酚、2-甲氧基4-乙基苯酚、邻苯二酚以及异丁香酚。250℃对两种催化剂来说都是最佳的反应温度，可以取得最好的木质素解聚效率和最高的单体产物收率。
　　单体产物是制备高附加值化学品和液体燃料的平台分子，以上两种木质素解聚手段都获得了较为可观的单体产物收率（两类实验中主要单体产物最高总收率分别为3.56％和6.94％），因此它们对高效利用木质素具有重要的意义。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 当前能源形势

1．1．1 世界能源形势

1．1．2 中国能源形势

1．1．3 新能源的利用现状

1．2 生物质资源

1．2．1 生物质的主要组成及结构

1．2．2 生物质资源的利用途径

1．3 木质素的解聚研究进展

1．3．1 物理降解

1．3．2 微生物降解

1．3．3 酸碱催化

1．3．4 热解

1．3．5 电化学解聚

1．3．6 催化氧化

1．3．7 加氢还原

1．4 选题意义及研究内容

1．4．1 选题意义及目的

1．4．2 主要研究内容

第二章 C60／Bi2TiO4F2可见光催化解聚木质素的研究

2．1 引言

2．2 实验材料及方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 催化剂制备

2．2．3 催化剂的表征方法

2．2．4 木质素及其模型化合物的实验步骤

2．2．5 产物的检测方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 催化剂的表征结果

2．3．2 模型化合物的反应

2．3．3 木质素的催化解聚

2．3．4 催化剂的稳定性实验

2．4 本章小结

第三章 稀土氧化物催化解聚木质素的研究

3．1 引言

3．2 实验材料及方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 木质素的解聚步骤

3．2．3 产物的检测分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 解聚产物的组成

3．3．2 温度对CeO2解聚木质素的影响

3．3．3 温度对La2O3解聚木质素的影响

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 研究结论和主要创新点

4．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间完成的学术论文和其他研究成果