超低浓度硫酸催化纤维素水解实验研究

论文摘要

虽然生物质制取燃料乙醇技术的研究已开展多年,但还存在很多关键问题需要解决,其中最重要的是如何将生物质原料高效、低能耗、环保的水解糖化,为乙醇发酵提供原料。生物质中的半纤维素和纤维素水解糖化是一个连串反应,糖只是中间产物,会继续发生降解反应,因此,水解糖化技术必须满足高水解率和低糖损失的要求。超低酸水解（酸浓度<0.2%w/w）是一种新型的水解技术,具有水解强度大、反应速度快、糖收率高、对设备腐蚀性小等优点成为研究的热点。因此,本文以纤维素模化物（滤纸）为原料,在间歇式水解反应器中开展了超低浓度硫酸催化水解及金属离子助催化的工艺和机理研究。在间歇式反应器中,对超低浓度硫酸催化纤维素模化物（滤纸）水解反应进行研究,考察了反应温度、液固比、酸浓度和时间对反应的影响,采用响应面的方法对工艺进行优化。通过响应面方法的反应的研究,分析了各因素之间的交叉影响,并预测了最佳反应条件；以响应面研究为基础,又考察了反应压力和搅拌转速对反应结果的影响,最后确定最佳工艺条件为：反应温度205℃,液固比15.72,硫酸浓度0.15%,时间33 min,压力3MPa,转速500rpm。对金属盐在超低酸水解纤维素过程中的助催化作用进行了研究,分别考察了K2SO4、MgSO4、Na2SO4、Al2（SO4）3、CuSO4、FeSO4、Fe2（SO4）3在3种酸浓度（0.01%、0.05%、0.1%）下的助催化效果。结果表明,0.05%K2S04的助催化效果较好且稳定,葡萄糖浓度较没加入之前提高了16.48%；在实验研究的基础上,对K+的催化作用机理进行了分析,详细阐述了K+的助催化作用历程；以实验研究和机理分析为基础,建立了硫酸钾存在时超低浓度硫酸催化纤维素水解的连串反应动力学,通过对比纤维素水解和糖降解活化能,揭示了其催化反应历程,并通过动力学拟合和实验验证确定了其最佳反应条件,为下一步深入地研究提供研究基础和理论支撑。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 全球能源形势分析及新能源开发
• 1.2.1 能源、环境形势分析
• 1.2.2 大力开发生物质能源
• 1.3 木质纤维素类生物质水解糖化技术研究
• 1.3.1 木质纤维素的结构
• 1.3.2 木质纤维素的预处理方法
• 1.3.3 木质纤维素的糖化技术
• 1.3.4 水解动力学研究
• 1.4 本课题选题意义和研究内容
• 1.4.1 本课题选题意义
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 实验装置操作和分析方法的建立
• 2.1 实验原料和设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验分析方法
• 2.2.1 水解液的分析
• 2.2.2 原料和固体残渣的分析
• 2.3 本章小节
• 第三章 超低浓度硫酸催化纤维素水解的实验研究
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 实验原料和实验装置
• 3.2 响应面实验方案及其他条件的选择
• 3.2.1 响应面实验方案
• 3.2.2 压力选择实验
• 3.2.3 转速选择实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 响应面分析方案及结果
• 3.3.2 响应面分析及最优化条件的确定
• 3.3.3 试验验证
• 3.3.4 压力、转速、不同酸根盐的选择
• 3.3.5 实验结果讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 金属盐助催化超低酸水解纤维素 #41的实验和机理研究
• 4.1 实验原料和方法
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验装置及方法
• 4.1.3 分析方法
• 4.1.4 实验方法
• 4.2 结果分析
• 4.2.1 实验条件的确定
• 4.2.2 不同金属盐的助催化效果
• 4.2.3 金属盐助催化的产物分析
• 4.3 金属盐助催化机理推测
• 4.3.1 单糖降解产物的一般生成途径
• 4.3.2 金属盐助催化作用机理推测
• 4.4 小结
• 第五章 金属盐助催化纤维素超低酸水解动力学研究
• 5.1 实验原料和装置
• 5.2 实验方法
• 5.3 金属盐催化纤维素水解动力学模型的建立
• 5.3.1 纤维素水解动力学模型
• 5.3.2 温度对反应速率的影响,活化能
• 5.4 实验结果分析
• 2SO₄作为催化剂时的动力学参数'>5.4.1 0.05%硫酸+0.05%K₂SO₄作为催化剂时的动力学参数
• 2SO₄作为催化剂时的动力学参数'>5.4.2 0.1%硫酸+0.05%K₂SO₄作为催化剂时的动力学参数
• 2SO₄作为催化剂时的动力学参数'>5.4.3 0.15%硫酸+0.05%K₂SO₄作为催化剂时的动力学参数
• 5.5 结果讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文的新见解
• 6.3 下一步的工作和建议
• 参考文献
• 附录
• 1 药品和试剂
• 2 仪器和设备
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 附件