离子交换法分离乙酰丙酸的实验研究

论文摘要

乙酰丙酸是生物质资源直接水解的重要产物，可以用可再生资源大规模制备。廉价的乙酰丙酸有望成为一种基于生物质资源的新型平台化合物，用来制备各种具有价值的衍生物产品。本文主要是研究用离子交换法从纤维素水解液中提取乙酰丙酸的工艺流程，制备乙酰丙酸纯品，并为大规模生产运行提供可靠的工艺参数。本文通过将多种树脂对乙酰丙酸，甲酸及硫酸的离子交换吸附容量进行比较，选取D301弱碱性阴离子交换树脂作为吸附材料，对其吸附、洗脱过程进行了系统研究。首先，以D301树脂为离子交换材料，以纯的乙酰丙酸溶液为研究对象，静态实验主要研究了吸附的热力学和动力学过程。热力学过程主要研究了吸附等温线，得到吸附过程为优惠型吸附，等温线方程符合R-P经验式吸附等温方程，计算得到离子交换过程的吸附焓变；间歇式动力学主要考察了树脂颗粒直径，搅拌速度，溶液浓度及体系温度对离子交换过程的影响，并用移动边界模型对实验数据进行了处理，通过研究可知，搅拌速率对离子交换过程没有较大影响，吸附速率随乙酰丙酸初始浓度的增加而升高，离子交换过程为颗粒扩散控制，计算得到离子交换过程的表观速率常数，反应级数以及表观活化能，并得到反应的总的动力学方程；动态实验主要研究了交换柱的吸附和洗脱过程，并在上柱液浓度、流量、离子交换柱高度等因素的优化实验基础上设计了离子交换柱参数。选定盐酸为洗脱剂，研究了盐酸浓度和流量因素对洗脱效果的影响。其次，以D301树脂为离子交换材料，小麦秸秆经稀硫酸水解产生的乙酰丙酸溶液为研究对象，进行动态实验的研究，考察了离子交换柱的吸附和洗脱过程。确定了吸附与洗脱条件。吸附条件：离子交换柱高径比15.5，流速为1BV／h的穿透条件下，树脂的利用率为84.6％；洗脱条件：0.5mol／l的HCl在1BV／h的条件下洗脱；最终得到乙酰丙酸的收率为77.9％，纯度为92.3％。用上述方法生产乙酰丙酸过程简单，对设备要求不高，生产成本低，适合大规模工业化生产的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1.1 离子交换法
• 1.1.1 离子交换技术的发展
• 1.1.2 离子交换方法的基本原理
• 1.1.3 离子交换过程
• 1.1.4 离子交换法在有机酸分离技术上的应用
• 1.2 乙酰丙酸的结构性质和应用前景
• 1.2.1 乙酰丙酸的结构及物化性质
• 1.2.2 乙酰丙酸的应用
• 1.2.3 乙酰丙酸衍生物
• 1.3 乙酰丙酸的制取方法
• 1.3.1 糠醇催化水解法制备乙酰丙酸
• 1.3.2 以单糖和低聚糖为原料制备乙酰丙酸
• 1.3.3 以纤维素为原料制备乙酰丙酸
• 1.4 乙酰丙酸的分离方法
• 1.4.1 传统的分离方法
• 1.4.1.1 有机溶剂萃取法
• 1.4.1.2 真空精馏法
• 1.4.2 离子交换法分离乙酰丙酸
• 1.5 本课题的研究内容和意义
• 第二章 树脂的筛选及乙酰丙酸的分析方法
• 2.1 树脂的筛选
• 2.1.1 实验材料与设备
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.2.1 树脂的预处理
• 2.1.2.2 静态交换实验
• 2.1.3 实验结果与讨论
• 2.2 乙酰丙酸的分析方法
• 2.2.1 乙酰丙酸的测定
• 2.2.2 分析试剂及设备
• 2.2.3 色谱操作条件
• 2.2.4 溶液的配置
• 2.2.5 标准工作曲线的建立
• 2.3 结论
• 第三章 离子交换树脂吸附乙酰丙酸的机理研究
• 3.1 离子交换树脂吸附乙酰丙酸的热力学研究
• 3.1.1 静态吸附平衡理论基础
• 3.1.2 实验原料和实验设备
• 3.1.3 实验方法
• 3.1.4 结果与讨论
• 3.1.4.1 等温吸附线的绘制
• 3.1.4.2 吸附热力学参数ΔH
• 3.1.5 结论
• 3.2 离子交换树脂吸附乙酰丙酸的间歇式动力学研究
• 3.2.1 离子交换法间歇式动力学的理论基础
• 3.2.2 实验材料及设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 实验结果与讨论
• 3.2.4.1 离子交换控制步骤的选取
• 3.2.4.2 树脂粒径对交换速率的影响
• 3.2.4.3 搅拌速率对交换速率的影响
• 3.2.4.4 溶液浓度对交换速率的影响
• 3.2.4.5 体系温度对交换速率的影响
• 3.2.4.6 动力学总方程式的确定
• 3.2.5 结论
• 3.3 离子交换树脂吸附乙酰丙酸的连续式动力学研究
• 3.3.1 连续式动力学理论基础
• 3.3.1.1 流出曲线
• 3.3.1.2 洗脱曲线
• 3.3.2 实验材料及设备
• 3.3.3 实验方法
• 3.3.4 结果与讨论
• 3.3.4.1 穿透曲线的研究
• 3.3.4.2 洗脱曲线的研究
• 3.3.5 结论
• 第四章 离子交换法分离生物质水解液中的乙酰丙酸
• 4.1 生物质水解液的制备与预处理
• 4.1.1 生物质水解制备乙酰丙酸
• 4.1.1.1 实验原理与反应过程
• 4.1.1.2 实验原料与实验装置
• 4.1.1.4 实验方法
• 4.1.2 生物质水解液的预处理
• 4.2 对纤维素水解液生产的乙酰丙酸的连续动态柱的研究
• 4.2.1 结果与讨论
• 4.2.1.1 穿透曲线的研究
• 4.2.1.2 洗脱曲线的研究
• 4.2.1.3 乙酰丙酸的收率及纯度
• 4.2.2 结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间撰写与发表论文情况