纤维素的酸解及其催化加氢制备多元醇的研究

论文摘要

寻找可替代的再生能源与提高原料的利用率是当前工业催化研究的重要任务与开发的方向,其主要的研究之一就是寻找能替代化石燃料的可再生能源。纤维素作为一种储量巨大的能源物质,同时可再生,成为研究可再生能源的一个突破口,尽管纤维素的利用很早以前已经开始,如造纸、人工纤维等,但是纤维素作为能源原料的研究近些年来才成为热点。传统的纤维素生产多元醇的方法,一般是两步:第一步是纤维素水解生成葡萄糖,第二步是葡萄糖的催化加氢制备多元醇,此种反应工艺反应间隔时间较长,同时反应的前期准备工作复杂,操作较为繁琐。因此,开发新的催化剂和催化技术,催化纤维素水解加氢一步制备多元醇的研究具有重要的现实意义和理论价值。本文使用微波超声协同作用进行纤维素水解来提高纤维素转化为糖的速率以及选择性。以HCl(wt%):HCOOH(wt%):H2O(wt%)= 4: 78.2: 17.8作为纤维素酸催化水解体系,在微波超声条件下,考察反应温度、反应时间对纤维素水解以及糖产率的影响,结果表明:在70℃下反应0.5 h,得到纤维素的转化率为18.3 %,还原糖的收率为14.6 %,比常规方法下纤维素的水解有了明显的改善。本文探索了碳纳米管负载Ru基催化剂对纤维素催化加氢的影响,考察了活性组分、催化剂载体、Ru负载量、溶剂使用量、反应时间、反应温度、反应压力等因素对纤维素转化率和多元醇收率的影响。结果表明:以氢气为还原剂、温度为225℃,压力为6 MPa, Ru/CNTs催化剂催化反应0.5小时,纤维素的转化率为80 %,多元醇的收率有38 %;在此反应体系中,CNTs对纤维素的水解有促进作用,Ru催化水解产生的可溶性还原糖加氢转化为多元醇。由于纤维素的转化率不能达到100 %,不利于催化剂的回收和重复利用。因此,选择加入第二种活性组分,发现,Ni的加入能极大的提高纤维素的转化率,在215℃时,纤维素的转化率可达99 %以上,同时多元醇的收率可达54 %左右。表明第二种活性组分的加入,有利于催化反应的进行,也能改善多元醇的收率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纤维素的的特点
• 1.2.1 纤维素的定义
• 1.2.2 纤维素的结构
• 1.2.3 纤维素的物理性质
• 1.2.4 纤维素的化学性质
• 1.2.5 纤维素的应用
• 1.3 多元醇的应用
• 1.3.1 制备聚氨酯材料
• 1.3.2 制备氢气
• 1.3.3 制备烷烃
• 1.3.4 制备烯烃
• 1.3.5 制备化学品或化学中间体
• 1.4 纤维素制备多元醇用催化剂的研究进展
• 1.5 碳纳米管在催化领域的研究现状
• 1.5.1 碳纳米管作为催化剂
• 1.5.2 碳纳米管作为催化剂载体
• 1.6 本课题的研究目的和主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 催化剂的制备及表征
• 2.2.1 碳纳米管表面的酸修饰
• 2.2.2 碳纳米管负载型纳米钌催化剂的制备
• 2.2.3 催化剂比表面积（BET）的测定
• 2.2.4 催化剂X 射线衍射（XRD）分析
• 2.2.5 CO 程序升温脱附（TPD）
• 2.2.6 催化剂红外光谱（FT-IR）分析
• 2.2.7 催化剂程序升温还原（TPR）测试
• 2.3 纤维素水解制备还原糖
• 2.3.1 微波超声协同作用下，纤维素水解的实验方法
• 2.3.2 还原糖的测定
• 2.4 Ru/CNTs 催化还原纤维素制备多元醇
• 2.4.1 Ru/CNTs 催化还原纤维素制备多元醇的实验方法
• 2.4.2 还原产物的定性分析检测
• 2.4.3 液相产物的定量分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 微波超声协同作用下纤维素酸水解的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 纤维素不同水解方法的比较
• 3.2.2 微波超声酸催化水解条件的优化
• 3.2.3 微波超声条件下，酸催化水解机理的初步研究
• 3.2.4 提高纤维素水解转化率探索
• 3.3 本章小结
• 第四章 纤维素催化转化制备多元醇的研究
• 4.1 纤维素水解的影响因素考察
• 4.1.1 水的量对纤维素水解转化率的影响
• 4.1.2 CNTs 对纤维素水解的影响
• 4.2 纤维素转化为多元醇的影响因素考察
• 4.2.1 催化剂的活性组分及制备方法对纤维素转化为多元醇的影响
• 4.2.2 工艺条件对纤维素转化为多元醇的影响
• 4.3 Ru/CNTs 一步催化加氢水解纤维素制多元醇的机理探索
• 4.4 双组分Ru-Ni/CNT 催化剂一步催化加氢分解纤维素制备多元醇
• 4.4.1 双组分催化剂第二组分的筛选
• 4.4.2 催化剂的制备
• 4.4.3 不同第二组分对纤维素转化为多元醇反应的影响
• 4.4.4 温度对二元组分催化剂一步加氢还原纤维制备多元醇的影响
• 4.4.5 Ni-Ru/CNTs 与 Ru/CNTs 催化剂催化纤维素转化为多元醇的比较
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢