【摘要】：隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,人類對化石燃料的需求和消耗日益增加。然而煤、石油以及天然氣等傳統(tǒng)的化石燃料作為現(xiàn)階段主要的能源和化工原料正日益枯竭；而且化石燃料的大量使用已經(jīng)引起了全球氣候變化以及其它的環(huán)境問題,極大的影響著人類的生存和發(fā)展,尋找清潔的、可再生的替代能源成為各國的當(dāng)務(wù)之急。 生物質(zhì)資源作為目前地球上大量存在并且唯一一種可再生的碳能源,吸引了全球眾多科研工作者的目光。它可以為人類提供各種化學(xué)品,而且生物質(zhì)的基本組成是C-H化合物,與煤、石油、天然氣等常規(guī)的化石燃料是同類。因此,生物質(zhì)作為地球上儲量豐富的能源而被人們普遍認(rèn)為是一種可替代傳統(tǒng)化石燃料的、清潔的、可解決能源危機(jī)的重要的新型能源。 功能化生物質(zhì)基碳微球是一類具有低比表面、高活性、高酸度、高穩(wěn)定性的固體催化劑。該催化劑可以再在催化轉(zhuǎn)化過程中具有清潔、可循環(huán)使用的特性。 本文以自然界廣泛存在的生物質(zhì)(纖維素、葡萄糖)作為碳源,在反應(yīng)釜中,通過綠色工藝水熱反應(yīng)生成生物質(zhì)基碳微球,隨后對其進(jìn)行磺酸化等一系列處理制備生物質(zhì)基功能化碳微球。分別嘗試了不同生物質(zhì)基功能化碳微球?qū)w維素水解及制備5-HMF的催化效果,并對實驗條件進(jìn)行了考察與優(yōu)化。本研究還對制備的生物質(zhì)基功能化碳微球進(jìn)行了改性,使其帶有特定的功能,例如磁性,并用改性之后的碳微球催化生物質(zhì),考察其活性。主要內(nèi)容包括： 首先,系統(tǒng)地研究了功能化生物質(zhì)基碳微球的制備方法,以葡萄糖及纖維素等生物質(zhì)為原料通過水熱反應(yīng)制備生物質(zhì)基碳微球,然后通過磺酸化改性生物質(zhì)基碳微球,使生成的碳微球帶有特定的官能團(tuán)。本研究還對生物質(zhì)基碳微球進(jìn)行化學(xué)活化或者磁性化處理,以提高碳微球的比表面積或者使其帶有特定的磁性。利用掃描電鏡、X射線衍射、傅里葉變換紅外、電感耦合等離子光譜發(fā)生儀、元素分析儀、熱重-差熱分析、物理分析儀和綜合吸附儀等手段對制備的生物質(zhì)基功能化碳微球進(jìn)行表征。結(jié)果表明,所制備的生物質(zhì)基功能化碳微球表面富含-COOH、-OH和-S03H官能團(tuán),是一種具有低比表面高酸度的微米級無定型碳材料,而且此類材料穩(wěn)定性能良好,循環(huán)使用5次之后,催化效果沒有明顯降低。 以葡萄糖作為原料,制備的葡萄糖基功能化碳微球,對纖維素水解具有很高的催化活性。反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、催化劑用量、反應(yīng)物初始量等條件對反應(yīng)有很大的影響。在優(yōu)化實驗條件下,催化纖維素水解還原糖產(chǎn)率可達(dá)72%。GSS與稀硫酸、NKC-9相比,催化還原糖產(chǎn)率略高。且以葡萄糖為原料制備的新型葡萄糖基功能化碳微球具備綠色、無毒、酸度高等優(yōu)點,而且制備的葡萄糖基功能化碳微球使用溫度可達(dá)到180℃,同離子交換樹脂相比使用溫度更高、應(yīng)用范圍更廣。在[BMIM][C1]/GSS體系中,制備的催化劑循環(huán)使用五次之后,催化劑活性沒有明顯降低。 以纖維素為碳源,制備的纖維基碳微球,未經(jīng)過化學(xué)活化處理的纖維素基功能化碳微球(CSS)在催化果糖制備5-HMF反應(yīng)中比經(jīng)過化學(xué)活化處理制備的纖維素基功能化碳材料(CSKS)表現(xiàn)出更高的活性。在[BMIM][C1]/CSS體系中,80℃條件下反應(yīng)10min,果糖轉(zhuǎn)化生成5-HMF的產(chǎn)率可達(dá)83%。 生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化中,會生成腐殖酸一類的固體,利用現(xiàn)有的分離技術(shù)難以把生物質(zhì)基功能化碳微球與腐殖酸分離開來。為了解決反應(yīng)體系分離困難的問題,在已有實驗基礎(chǔ)上,以纖維素為原料,制備生成了磁性纖維素基功能化碳微球。該材料具有超順磁的特性,無外加磁場作用下,不表現(xiàn)出磁性,可以穩(wěn)定的分散于反應(yīng)體系中。反應(yīng)結(jié)束后,在外加磁場的作用下可以迅速與反應(yīng)體系分離。該材料在離子液體[BMIM][C1]中,可以高效的催化生物質(zhì)衍生物發(fā)生反應(yīng),并可多次循環(huán)使用。
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TK6

【參考文獻(xiàn)】

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1 杜芳;漆新華;徐英釗;莊源益;;離子液體中樹脂催化轉(zhuǎn)化果糖為5-羥甲基糠醛[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報;2010年03期

2 冉獻(xiàn)強(qiáng);;水熱法研究進(jìn)展[J];硅谷;2010年04期

3 王玉高;趙煒;貢士瑞;許文娟;盛晨;;纖維素水解的研究進(jìn)展[J];化工時刊;2009年05期

4 常春,馬曉建,方書起,李洪亮,岑沛霖;可再生資源制備平臺化合物乙酰丙酸的研究進(jìn)展[J];化工新型材料;2005年08期

5 ;Glucose production from hydrolysis of cellulose over a novel silica catalyst under hydrothermal conditions[J];Journal of Environmental Sciences;2012年03期

6 陰春梅;劉忠;齊宏升;;生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究進(jìn)展[J];釀酒科技;2007年01期

7 伯永科;崔海信;劉琪;蔡鴻昌;;基于稀酸水解法的制糖殘渣纖維素糖化研究[J];中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報;2008年05期

8 張毅民;楊靜;呂學(xué)斌;馬沛生;;木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)酸水解研究進(jìn)展[J];世界科技研究與發(fā)展;2007年01期

9 崔立;劉忠;;酶水解纖維素條件的優(yōu)化[J];天津科技大學(xué)學(xué)報;2010年02期

10 王華瑜;張長斌;賀泓;王蓮;;磁性碳基磺酸化固體酸催化劑的制備及其催化水解纖維素[J];物理化學(xué)學(xué)報;2010年07期

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