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碳基固体酸催化纤维素水解研究 来自万方 作者 刘芸 摘要 人类的生产生活离不开能源的利用,随着传统能源化石燃料的日益枯竭和一系列环境问题的突显,开发利用清洁能源迫在眉睫。生物质作为全球第四大能源备受关注,通过化学手段转化成绿色平台化合物是生物质能利用的有效途径。纤维素转化成平台化合物的关键环节之一是纤维素糖化获得葡萄糖。一般工业生产上采用液体酸来催化纤维素水解,但使用液体酸会污染环境、腐蚀设备且难与产物分离,回收重复利用困难,而固体酸可以解决上述难题。当前固体酸研究主要集中在H-型沸石、阳离子交换树脂、中孔过渡态金属氧化物、杂多酸等,但存在催化效率低、热稳定差、可控制备不易实现和回收率低等问题。基于此,需要制备新型的高效固体酸催化剂催化纤维素水解。论文采用活性炭和多壁碳纳米管为载体,通过炭化磺化等手段制备碳基固体酸催化剂,并对固体酸的结构性能进行分析,对不同条件下催化微晶纤维素水解时葡萄糖产率问题进行优化。以浓硫酸为溶剂将活性炭和多壁碳纳米管在150℃下磺化6h制备活性炭基固体酸和碳纳米管基固体酸,它们均为含有磺酸基、羧基和羟基的不定型结构。在120℃,水解时间3 h,催化剂0.15 g时,葡萄糖的最佳产率为17.52%和14.78%。为提高催化效率对两种固体酸改造,分别用葡萄糖包覆活性炭和碳纳米管后,在400℃下热解炭化,然后磺酸化,制备出活性炭沉积固体酸和碳管原位碳沉积固体酸。对水解条件优化,碳管原位碳沉积固体酸在120℃、水解3 h、催化剂0.15g时葡萄糖产率最高为29.12%,远高于活性炭沉积固体酸的最佳产率16.74%。为了更好的分离回收碳管原位碳沉积固体酸,在其内部填充Fe304纳米粒子,制备出磁性原位碳沉积固体酸。对制备的固体酸采用X射线衍射仪、物理吸附仪、X射线光电子能谱仪、扫描电镜、高倍透射电镜以及能谱分析、傅里叶红外光谱仪和拉曼光谱等进行表征分析。结果显示催化剂为无定型结构,比表面积高,具有Fe304纳米颗粒,并且催化剂引入了磺酸基、羧基和羟基。在120℃水解3h加入0.15 g催化剂时纤维素水解葡萄糖产率最佳为28.38%。对固体酸的重复利用性能研究显示,在前5次使用中催化效率基本稳定,葡萄糖产率维持在28%左右,催化剂从第一次使用到重复使用7次,葡萄糖收率由28.38%下降为24.56%,说明固体酸具有良好的重复使用性。 收起 出版源 《华北电力大学》 , 2015
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