木质生物质酸催化苯酚液化机理及液化产物特性研究

论文摘要

随着石化资源的日益短缺，可再生性生物质资源的利用越来越受到世界各国的普遍关注，其中热化学液化是生物质利用的主要方式之一。本文以木质生物质三大主要成分——纤维素、半纤维素、木质素的模型物微晶纤维素、木聚糖、碱木质素为主要研究对象，采用热化学苯酚液化技术分别对木质生物质三大主要成分模型物及其共混物进行液化，对得到的、固体和液体产物采用FTIR、TG、GC、GC/MS、HPLC、GPC、1H-NMR and13C-NMR等现代仪器分析方法进行分析、表征，对酸性条件下木质生物质三大主要成分的苯酚液化机理和产物特性进行了探讨。实验结果表明：（1）无论是无催化剂还是硫酸催化条件下，随着液化反应温度的升高与液化反应时间的延长，微晶纤维素、木聚糖、碱木质素及其共混物（微晶纤维素∶木聚糖∶碱木质素质量比为6∶2∶2）的液化转化率、气体产率和液体产率呈上升趋势。但添加浓硫酸催化剂可以大大提高液化转化率和液体产率。（2）从FTIR谱图特征上来看，硫酸催化苯酚液化条件下，微晶纤维素液化前30min的固体残渣仍保留着微晶纤维素的结构特征，液化30min及以后的固体残渣结构已发生显著变化，不同于微晶纤维素；对木聚糖而言，无论液化时间多长，其固体残渣已与木聚糖有很大的区别；对碱木质素而言，无论液化时间多长，其固体残渣与碱木质素的区别不大。（3）对微晶纤维素液化固体残渣的热解特性分析表明：硫酸催化下，随着液化反应温度的升高和液化反应时间的延长，其固体残渣具有更好的热稳定性。（4）硫酸催化苯酚液化条件下，随着反应温度的升高和反应时间的延长，微晶纤维素、木聚糖、碱木质素及其共混物降解反应剧烈，气体产物逐渐增加。微晶纤维素的苯酚液化气体产物主要是CH4，木聚糖、碱木质素和三大素模型物的共混物的气体产物主要是CO2。（5）硫酸催化苯酚液化条件下，微晶纤维素、木聚糖、碱木质素及其共混物液化液体产物中的结合酚含量随液化温度的升高、液化时间的延长而增大；且木聚糖与三大素模型物的共混物液化液体产物的结合酚含量上升非常明显，尤其在液化初期（2min）。（6）硫酸催化苯酚液化条件下，无论液化反应温度的高低和反应时间的长短，微晶纤维素、木聚糖、碱木质素及其共混物液化液体产物均具有相同的FTIR谱图特征，且这些液体产物均是其降解产物与液化试剂苯酚反应的结果。（7）硫酸催化苯酚液化条件下，微晶纤维素、木聚糖、碱木质素及其共混物液化液体产物的分子量随液化温度的升高、液化时间的延长而降低，但分子量分布变化不大。（8）硫酸催化苯酚液化条件下，微晶纤维素、木聚糖、碱木质素及其共混物液化液体产物的1H-NMR、13C-NMR结果表明：其液化初期（2min）主要发生降解反应，生成低分子量的中间产物或碎片（如葡萄糖、木糖等）；液化后期（30min）产物主要为降解产物与液化试剂苯酚反应的产物。（9）硫酸催化苯酚液化条件下，与微晶纤维素、木聚糖、碱木质素单独液化相比，其三者共混物的液化存在协同效应。（10）木质生物质酸催化苯酚液化机理可概括为：微晶纤维素、木聚糖、碱木质素等木质生物质主要成分首先发生降解反应，生成CH4、CO2等气体和低分子量的液体中间产物或碎片，同时降解生成的液体中间产物迅速与液化试剂苯酚发生反应，最终形成较为稳定的、可溶解于液化试剂苯酚中的复杂混合物。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 国内外木质生物质苯酚液化研究现状
• 1.1.2 国内外木质生物质苯酚液化机理研究现状
• 1.1.3 木质生物质苯酚液化产物特性研究
• 1.2 本论文研究的目的、意义
• 2 纤维素的苯酚液化及其产物特性研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器与设备
• 2.1.3 实验方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 纤维素液化转化率与气体、液体产物产率
• 2.2.2 纤维素液化固体残渣特性
• 2.2.3 纤维素液化气体产物特性
• 2.2.4 纤维素液化液体产物特性
• 2.2.5 苯酚在纤维素液化中的作用机理分析
• 2.3 本章小结
• 2.3.1 纤维素液化转化率与气体、液体产物产率
• 2.3.2 纤维素液化固体残渣特征
• 2.3.3 纤维素液化气体产物特征
• 2.3.4 纤维素液化液体产物特征
• 3 半纤维素的苯酚液化及其产物特性研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验仪器与设备
• 3.1.3 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 半纤维素液化转化率与气体、液体产物产率
• 3.2.2 半纤维素液化固体残渣特性
• 3.2.3 半纤维素液化气体产物特性
• 3.2.4 半纤维素液化液体产物特性
• 3.2.5 苯酚在半纤维素液化中的作用机理分析
• 3.3 本章小结
• 3.3.1 半纤维素液化转化率与气体、液体产物产率
• 3.3.2 半纤维素液化固体残渣特性
• 3.3.3 半纤维素液化气体产物特性
• 3.3.4 半纤维素液化液体产物特性
• 4 木质素的苯酚液化及其产物特性研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验仪器与设备
• 4.1.3 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 木质素液化转化率与气体、液体产物产率
• 4.2.2 木质素液化固体残渣特性
• 4.2.3 木质素液化气体产物特性
• 4.2.4 木质素液化液体产物特性
• 4.2.5 苯酚在木质素液化中的作用机理分析
• 4.3 本章小结
• 4.3.1 木质素液化转化率与气体、液体产物产率
• 4.3.2 木质素液化固体残渣特性
• 4.3.3 木质素液化气体产物特性
• 4.3.4 木质素液化液体产物特性
• 5 纤维素、半纤维素与木质素模型物共混物的苯酚液化及其产物特性研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 实验仪器与设备
• 5.1.3 实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 三大素的模型物共混物液化转化率与气体、液体产物产率
• 5.2.2 三大素的模型物共混物液化气体产物特性
• 5.2.3 三大素模型物的共混物液化液体产物特性
• 5.3 本章小结
• 5.3.1 三大素模型物的共混物液化转化率与气体、液体产物产率
• 5.3.2 三大素模型物的共混物液化气体产物特性
• 5.3.3 三大素模型物的共混物液化液体产物特性
• 6 结论
• 6.1 纤维素酸催化苯酚液化
• 6.1.1 纤维素液化转化率与气体、液体产物产率
• 6.1.2 纤维素液化固体残渣特性
• 6.1.3 纤维素液化气体产物特性
• 6.1.4 纤维素液化液体产物特性
• 6.2 半纤维素酸催化苯酚液化
• 6.2.1 半纤维素液化转化率与气体、液体产物产率
• 6.2.2 半纤维素液化固体残渣特性
• 6.2.3 半纤维素液化气体产物特性
• 6.2.4 半纤维素液化液体产物特性
• 6.3 木质素酸催化苯酚液化
• 6.3.1 木质素液化转化率与气体、液体产物产率
• 6.3.2 木质素固体残渣特性
• 6.3.3 木质素气体产物特性
• 6.3.4 木质素液体产物特性
• 6.4 三大素模型物的共混物酸催化苯酚液化
• 6.4.1 三大素模型物的共混物液化转化率与气体、液体产物产率
• 6.4.2 三大素模型物的共混物液化气体产物特性
• 6.4.3 三大素模型物的共混物液化液体产物特性
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢