果糖和葡萄糖在离子液体中转化为5-羟甲基糠醛的研究

论文摘要

生物质是一种可转化为液体燃料和碳基化学品的可再生资源。生物质糖,如果糖和葡萄糖,可以脱水生成5-羟甲基糠醛（5-HMF）,一种新型的绿色平台化合物。但目前果糖和葡萄糖脱水转化为5-HMF的工艺中,使用了大量的强酸以及有机溶剂,对环境造成了一定的影响。针对这些问题,本课题结合环境友好介质离子液体和超临界二氧化碳（scCO2）的特点,将其应用在果糖和葡萄糖转化生成5-HMF的过程中,避免强酸介质及有机溶剂的使用,实现该生物质转化过程环境友好。本文研究了果糖和葡萄糖在不同离子液体体系中脱水生成5-HMF的反应,考察了反应温度、时间、反应气氛、离子液体与催化剂种类等对果糖和葡萄糖转化率以及5-HMF收率的影响,同时还考察了微波辐射对反应的促进作用。产物5-HMF和离子液体的分离是目前应用的瓶颈之一,本文探索用scCO2从离子液体中萃取分离5-HMF。5-HMF在scCO2中的溶解度数据对分离至关重要,本文对5-HMF在scCO2中的溶解度进行了研究。得到了如下结论：1.在离子液体金属氯化物体系中,果糖和葡萄糖都可以高效地转化为5-HMF；果糖和葡萄糖的转化率最高可以达到100%,5-HMF的收率最高可以达到91%；离子液体与催化剂之间存在协同作用。其中温度对果糖和葡萄糖转化为5-HMF的收率以及果糖和葡萄糖的转化率影响很大；并且在不同的反应体系中,70-160℃之间都存在一个最佳温度。果糖和葡萄糖转化为5-HMF的收率随着时间增加先增加后趋于稳定；CuCl2-2H2O对于果糖转化为5-HMF的反应催化效果显著；CrCl3-6H2O对于葡萄糖转化为5-HMF反应催化效果显著；2.采用水热法合成了催化剂钛纳米管,管外径为10nm,管内径为8nm,管长为200nm。在离子液体钛纳米管体系中葡萄糖可以转化为5-HMF;通过微波辐射法,可以大大提高反应速率,使得反应时间缩小到1min之内；微波功率对反应的影响很大,当微波功率为400W时,反应效果最好；3.在温度314.10-343.20K、压力8.54-19.71MPa条件下,研究了5-HMF在scCO2中的溶解度。当温度一定时,5-HMF在scCO2中的溶解度随压力的增大而增大；当压力一定时,其溶解度随温度的升高而减小；当乙醇做共溶剂时,其溶解度随乙醇的摩尔分数增加而增大；实验值可以用四参数的Chrastil模型以及修正的Chrastil模型进行关联,关联数据表明5-HMF在二氧化碳（CO2）中的溶解过程是一个吸热过程,乙醇的加入降低了这个过程所需的能量。5-HMF可以溶解于scCO2中,为scCO2萃取5-HMF提供了理论依据。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 生物质的概念及利用现状
• 1.2 生物质的传统利用方式
• 1.2.1 用生物质制取乙醇
• 1.2.2 用生物质制取生物柴油
• 1.3 新型利用——利用生物质生产碳基化学品
• 1.3.1 己糖
• 1.3.2 生物质基5-羟甲基糠醛
• 1.4 由生物质制取碳基化学品的方法
• 1.4.1 无机酸水解
• 1.4.2 高温液态水水解
• 1.4.3 有机酸水解
• 1.4.4 分子筛催化水解
• 1.5 离子液体的概念及应用
• 1.5.1 简介
• 1.5.2 合成
• 1.5.3 表征
• 1.5.4 性质与应用
• 1.6 超临界二氧化碳的概念及应用
• 1.6.1 超临界流体
• 1.6.2 超临界流体萃取
• 1.6.3 超临界二氧化碳萃取
• 1.6.4 溶质在超临界二氧化碳中溶解度测定
• 1.6.4.1 溶质在超临界二氧化碳中溶解度的测定方法
• 1.6.4.2 共溶剂对溶解度的影响
• 1.6.4.3 溶解度的关联与计算
• 1.7 课题的提出
• 第二章 离子液体金属氯化物体系中果糖和葡萄糖的转化
• 2.1 实验内容
• 2.2 实验试剂与仪器
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 功能化离子液体的合成与表征
• 2.3.1.1 [EMIM]Br的合成
• 2.3.1.2 [BMIM]Cl的合成
• 2.3.1.3 离子液体表征
• 2.3.2 离子液体金属氯化物体系中果糖和葡萄糖转化的研究
• 2.3.3 产物分析
• 2.3.3.1 色谱条件
• 2.3.3.2 测定各种反应产物在液相色谱上的保留时间
• 2.3.3.3 标准曲线的绘制
• 2.3.3.4 样品分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 离子液体的表征结果
• 2.4.1.1 离子液体红外表征结果
• 2.4.1.2 离子液体核磁表征结果
• 2.4.2 温度对反应的影响
• 2.4.2.1 温度对果糖和葡萄糖转化率的影响
• 2.4.2.2 温度对5-HMF收率的影响
• 2.4.3 时间对反应的影响
• 2.4.4 反应气氛对5-HMF收率的影响
• 2.4.5 离子液体催化剂混合体系对5-HMF收率的影响
• 2.4.5.1 [BMIM]Cl中催化剂对葡萄糖转化转化为5-HMF收率的影响
• 2.4.5.2 离子液体催化剂混合体系对果糖转化为5-HMF收率的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 离子液体钛纳米管体系中葡葡糖的转化
• 3.1 实验内容
• 3.2 实验试剂与仪器
• 3.3 实验步骤
• 3.3.1 功能化离子液体的合成
• 3.3.2 催化剂的合成
• 3.3.2.1 质子化了的钛酸盐钛纳米管（PTN）的合成
• 2+修饰的质子化了的钛酸盐钛纳米管(Cu²⁺HTiNTs)的合成'>3.3.2.2 Cu²⁺修饰的质子化了的钛酸盐钛纳米管(Cu²⁺HTiNTs)的合成
• 3+修饰的质子化了的钛酸盐钛纳米管(Cr³⁺HTiNTs)的合成'>3.3.2.3 Cr³⁺修饰的质子化了的钛酸盐钛纳米管(Cr³⁺HTiNTs)的合成
• 3.3.2.4 Cr负载的钛酸盐钛纳米管（Cr@NaTiNTs）的合成
• 3.3.2.5 Cu负载的钛酸盐钛纳米管（Cu@NaTiNTs）的合成
• 3+修饰的钛酸盐钛纳米管(Cr³⁺NaTiNTs)的合成'>3.3.2.6 Cr³⁺修饰的钛酸盐钛纳米管(Cr³⁺NaTiNTs)的合成
• 2+修饰的钛酸盐钛纳米管(Cu²⁺NaTiNTs)的合成'>3.3.2.7 Cu²⁺修饰的钛酸盐钛纳米管(Cu²⁺NaTiNTs)的合成
• 3.3.3 离子液体钛纳米管体系中葡萄糖转化的研究
• 3.3.3.1 油浴条件下离子液体钛纳米管体系中葡萄糖转化的研究
• 3.3.3.2 微波条件下离子液体钛纳米管体系中葡萄糖转化的研究
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 催化剂的表征结果
• 3.4.2 催化剂对5-HMF收率的影响
• 3.4.3 葡萄糖在[EMIM]Br/PTN/微波条件下的反应
• 3.5 本章小结
• 第四章 5-羟甲基糠醛在超临界二氧化碳中的溶解度
• 4.1 实验内容
• 4.2 实验试剂与仪器
• 4.3 实验步骤
• 4.3.1 可视釜试漏
• 4.3.2 恒温水浴槽温度的标定
• 4.3.3 可视釜体积的标定
• 4.3.4 5-羟甲基糠醛在超临界二氧化碳中溶解度的测定
• 4.3.4.1 实验原理
• 4.3.4.2 实验装置
• 4.3.4.3 实验步骤
• 4.3.5 溶解度的关联
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 体积标定结果
• 4.4.2 溶解度测定结果
• 4.4.3 体系的压力温度对5-羟甲基糠醛溶解度的影响
• 4.4.4 共溶剂对于5-羟甲基糠醛溶解度的影响
• 4.4.5 5-羟甲基糠醛在超临界二氧化碳中溶解度的关联结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 作者和导师简介