离子液体中棉籽壳纤维素催化水解制备5--羟甲基糠醛研究

摘要

随着石化资源的消耗和环境污染的加剧，作为世界上唯一可再生碳源的生物质能源的开发与利用逐渐受到人们的关注。传统的生物质利用方式，虽然在一定程度上可以减少石化资源的使用，但是生物质的能源利用效率却很低，不利于实现可持续发展。以生物质为原料生产化学品替代石油基化学品不仅能减少石化资源的损耗，而且能有效提高生物质的能源利用率，满足人们日益增长的能源需求。 本文在前人工作的基础上对微晶纤维素和棉籽壳作为原料催化转化为桥梁化合物—5-羟甲基糠醛的制备工艺和反应机理进行了研究。 1、采用价格便宜、低毒环保的离子液体TBAC为溶剂，考察了不同影响因素对目标产物产率的影响。实验结果表明:(1) TBAC/CrCl3反应体系可以有效地实现微晶纤维素向5-羟甲基糠醛的转化，且该体系具有良好的稳定性。(2)加入少量浓盐酸促进微晶纤维素的水解，实现CrCl3和浓盐酸的协同作用。(3)确定出较好的工艺条件:离子液体与微晶纤维素的质量比为10∶1，盐酸和水的用量均为纤维素质量的10％，催化剂CrCl3·6H2O的用量为微晶纤维素物质的量的15％，140℃油浴下反应时间90min，5-羟甲基糠醛的产率为43.7％。 2、探究了棉籽壳催化转化制备5-羟甲基糠醛的工艺条件。结果显示:(1)通过研究不同离子液体对5-羟甲基糠醛产率的影响，选择出实验所需的离子液体。(2)棉籽壳催化转化的较好工艺条件为:棉籽壳与离子液体的质量比为1∶20，盐酸用量为棉籽壳质量的20％，油浴中加热到130℃，反应2h后，5-羟甲基糠醛的产率最高为51.3％。(3)考查了在相同实验条件下，棉籽壳中五碳糖向糠醛的转化。实验结果显示，糠醛产率随各影响因素的变化趋势与5-羟甲基糠醛的变化趋势基本一致，但是糠醛的产率却很低，这表明在该实验条件下，[Bmim]Cl/CrCl3反应体系不适用于糠醛的产生。 3、(1)通过量化计算，对比各化合物的空间结构和相对势能，解释了CrCl3、MnCl3、FeCl3、CoCl3作为催化剂以及不同氯化烷基咪唑类离子液体作为溶剂时对葡萄糖催化转化制备5-羟甲基糠醛产率的影响规律。(2)提出了链状葡萄糖在酸性条件下，通过质子化，脱水、脱质子和环合反应制备5-羟甲基糠醛的可能机理。为后续的实验探究和工业化生产提供了理论指导。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 生物质及生物质能

1．2．1 生物质及生物质能概述

1．2．2 生物质的开发与利用

1．3 棉籽壳

1．4 5-羟甲基糠醛

1．4．1 5-羟甲基糠醛的概述

1．4．2 5-羟甲基糠醛的制备机理

1．4．3 5-羟甲基糠醛的研究进展

第二章 离子液体的合成与表征

2．1 实验药品及仪器

2．2 离子液体的合成与表征

2．2．1 合成装置

2．2．2 合成原理与步骤

2．2．3 离子液体的纯度分析

2．3 小结

第三章 微晶纤维素催化转化制备5-羟甲基糠醛

3．1 实验药品及仪器

3．2 实验部分

3．2．1 实验准备

3．2．2 实验产品的测定方法

3．2．3 实验步骤

3．3 实验结果与分析

3．3．1 不同催化剂对5-羟甲基糠醛产率的影响

3．3．2 盐酸加入量对5-羟甲基糠醛产率的影响

3．3．3 水含量对5-羟甲基糠醛产率的影响

3．3．4 反应温度和反应时间对5-羟甲基糠醛产率的影响

3．3．5 催化剂用量的对5-羟甲基糠醛产率的影响

3．3．6 反应体系的应用

3．3．7 反应体系的循环利用

3．4 本章小结

第四章 棉籽壳催化水解制备5-羟甲基糠醛

4．1 实验部分

4．2 棉籽壳的预处理及组分含量的测定

2．2．1 棉籽壳的预处理

2．2．2 棉籽壳的组分测定

4．3 糠醛标准曲线的绘制

4．4 5-羟甲基糠醛和糠醛的合成与分析

4．5 实验结果与讨论

4．5．1 不同离子液体对棉籽壳催化水解制备5-羟甲基糠醛和糠醛产率的影响

4．5．2 不同离子液体对纤维素溶解性能的影响

4．5．3 盐酸用量对产品产率的影响

4．5．4 温度和时间对产率的影响

4．5．5 催化剂用量对产率的影响

4．5．6 原料浓度对产率的影响

4．6 小结

第五章 离子液体中葡萄糖催化转化理论研究

5．1 计算方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 不同催化剂对葡萄糖异构为果糖的影响理论研究

5．2．2 不同溶剂对葡萄糖异构为果糖的影响理论研究

5．2．3 酸性条件下链状葡萄糖催化转化制备5-羟甲基糠醛的反应机理

5．3 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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