酸改性蒙脱石催化转化微晶纤维素制备还原性糖研究

论文摘要

纤维素是自然界中最丰富的生物质资源,有望替代传统化学燃料和化学品,从而实现能源的再生和可持续发展。然而转化纤维素的传统工艺路线长,不可避免地带来废酸的回收、处理以及对环境的污染。因此,实验选用相对更为绿色环保的固体催化剂来催化转化纤维素,固体催化剂具有制备方法简单、热稳定性好、易分离和不腐蚀设备等优点。鉴于上述考虑,本论文首先考查了以蒙脱石为载体负载不同种类酸催化剂对纤维素转化的影响,考查了不同浓度酸改性蒙脱石催化剂在纤维素转化反应中的催化性能。而后针对性能良好的酸改性蒙脱石催化剂,通过改变反应条件进一步优化了蒙脱石类催化剂的催化性能。利用粉末X射线衍射（XRD）、傅立叶变换红外（FT-IR）、扫描电镜（SEM）和热重-差热分析仪（TG/DTA）等现代测试手段对合成的酸改性蒙脱石催化剂、微晶纤维素、竹质纤维素及其反应产物进行了表征。首先对于催化转化微晶纤维素体系,发现蒙脱石基催化剂较其他的催化剂活性好,而经过酸改性后蒙脱石的催化性能可以得到很大的提高。无机酸改性蒙脱石的催化活性要高于有机酸改性蒙脱石的催化活性。对比硫酸、磷酸和对甲苯磺酸改性的蒙脱石,以硫酸改性后的蒙脱石作为催化剂时,纤维素转化率更高,其中20%H2S04/MMT作为催化剂时转化率最高达到91.15 wt%。而以磷酸改性后的蒙脱石作为催化剂时,还原性糖得率更高,其中对于10%H3P04/MMT催化剂,还原性糖得率最高,达到16.94 wt%,说明磷酸改性的蒙脱石在转化纤维素制取还原性糖时具有较好的催化活性。其次是催化转化竹质纤维体系,对于细菌处理之前的竹质纤维素以对甲苯磺酸改性后的蒙脱石作为催化剂时,竹质纤维的转化率更高,其中以10%PTSA/MMT催化得到的还原性糖得率最高,达到8.08 wt%。因此对甲苯磺酸改性的蒙脱石在催化转化竹质纤维时催化活性最好。而无论是哪一种酸改性蒙脱石作为催化剂时,竹质纤维的转化率都变化不大,均在64 wt%到72 wt%之间。经过细菌处理之后,竹质纤维的转化率在不同酸改性蒙脱石催化下变化较大,在50 wt%到90 wt%之间。与竹质纤维相比,细菌处理竹质纤维的转化率与还原性糖得率都略有升高。而以硫酸改性后的蒙脱石作为催化剂时,竹质纤维的转化率要更高,其中以20%H2S04/MMT催化得到的转化率最高为89.84 wt%。而以对甲苯磺酸改性蒙脱石作为催化剂时,竹质纤维的还原性糖得率要更高,其中20%PTSA/MMT催化得到的还原性糖得率最高为8.75 wt%。通过XRD表征可以看出,竹质纤维样品中存在纤维素典型的衍射峰,在经过473 K高温反应4小时后,竹质纤维中的纤维素结构已经被破坏。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 酸催化转化纤维素
• 1.2.1 液体酸催化剂
• 1.2.2 固体酸催化剂
• 1.2.3 固体酸反应机理
• 1.3 碱催化转化纤维素
• 1.3.1 水热液化纤维素
• 1.3.2 气化纤维素
• 1.3.3 热解纤维素
• 1.3.4 碱催化转化纤维素反应机理
• 1.4 负载贵金属催化剂催化转化纤维素
• 1.4.1 负载Ru催化剂
• 1.4.2 负载Pt催化剂
• 1.4.3 负载Pd催化剂
• 1.4.4 负载Rh催化剂
• 1.5 其他催化剂催化转化纤维素
• 1.6 课题研究目的和内容
• 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验仪器和药品
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品
• 2.2 催化性能测试
• 2.2.1 催化剂的催化性能测试
• 2.2.2 还原性糖的测定方法（DNS法）
• 2.2.2.1 实验原理
• 2.2.2.2 溶液的配制
• 2.2.2.3 操作方法
• 2.3 表征与分析
• 2.3.1 X射线粉末衍射
• 2.3.2 傅立叶红外光谱
• 2.3.3 热重-差热
• 2.3.4 扫描电镜
• 参考文献
• 第三章 酸改性蒙脱石水解微晶纤维素制取
• 3.1 酸改性蒙脱石的制备
• 3.1.1 酸改性蒙脱石的制备
• 3.1.2 酸改性蒙脱石游离酸
• 3.2 酸改性蒙脱石催化剂的表征及其催化纤维素制取还原性糖性能
• 3.2.1 固体酸催化剂催化活性
• 3.2.2 酸改性蒙脱石催化活性及表征
• 3.2.2.1 酸改性蒙脱石催化活性
• 3.2.2.2 酸改性蒙脱石的表征
• 3.2.3 酸不同浓度改性蒙脱石催化活性及表征
• 3.2.3.1 酸不同浓度改性蒙脱石催化活性
• 3.2.3.2 酸不同浓度改性蒙脱石的表征
• 3.2.4 反应时间与还原性糖得率的关系
• 3.2.5 反应温度与还原性糖得率的关系
• 3.2.5.1 反应温度与还原性糖得率的关系
• 3.2.5.2 反应后微晶纤维素的表征
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 酸改性蒙脱石水解竹质纤维素制取
• 4.1 酸改性蒙脱石催化转化竹质纤维素
• 4.1.1 酸改性蒙脱石催化活性
• 4.1.2 反应后竹质纤维素的表征
• 4.2 酸改性蒙脱石催化转化细菌处理竹质纤维素
• 4.2.1 酸改性蒙脱石催化活性
• 4.2.2 反应后细菌处理竹质纤维的表征
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 攻读硕士学位期间论文发表情况
• 致谢