果糖和葡萄糖在离子液体中转化为5-羟甲基糠醛的研究
生物质是一种可转化为液体燃料和碳基化学品的可再生资源。生物质糖,如果糖和葡萄糖,可以脱水生成5-羟甲基糠醛(5-HMF),一种新型的绿色平台化合物。但目前果糖和葡萄糖脱水转化为5-HMF的工艺中,使用了大量的强酸以及有机溶剂,对环境造成了一定的影响。针对这些问题,本课题结合环境友好介质离子液体和超临界二氧化碳(scCO2)的特点,将其应用在果糖和葡萄糖转化生成5-HMF的过程中,避免强酸介质及有机溶剂的使用,实现该生物质转化过程环境友好。
本文研究了果糖和葡萄糖在不同离子液体体系中脱水生成5-HMF的反应,考察了反应温度、时间、反应气氛、离子液体与催化剂种类等对果糖和葡萄糖转化率以及5-HMF收率的影响,同时还考察了微波辐射对反应的促进作用。产物5-HMF和离子液体的分离是目前应用的瓶颈之一,本文探索用scCO2从离子液体中萃取分离5-HMF。5-HMF在scCO2中的溶解度数据对分离至关重要,本文对5-HMF在scCO2中的溶解度进行了研究。得到了如下结论:
1.在离子液体金属氯化物体系中,果糖和葡萄糖都可以高效地转化为5-HMF；果糖和葡萄糖的转化率最高可以达到100％,5-HMF的收率最高可以达到91％；离子液体与催化剂之间存在协同作用。其中温度对果糖和葡萄糖转化为5-HMF的收率以及果糖和葡萄糖的转化率影响很大；并且在不同的反应体系中,70～160℃之间都存在一个最佳温度。果糖和葡萄糖转化为5-HMF的收率随着时间增加先增加后趋于稳定；CuCl2·2H2O对于果糖转化为5-HMF的反应催化效果显著；CrCl3·6H2O对于葡萄糖转化为5-HMF反应催化效果显著；
2.采用水热法合成了催化剂钛纳米管,管外径为10 nm,管内径为8nm,管长为200nm。在离子液体钛纳米管体系中葡萄糖可以转化为5-HMF；通过微波辐射法,可以大大提高反应速率,使得反应时间缩小到1min之内；微波功率对反应的影响很大,当微波功率为400 W时,反应效果最好；
3.在温度314.10～343.20 K、压力8.54～19.71 MPa条件下,研究了5-HMF在scCO2中的溶解度。当温度一定时,5-HMF在scCO2中的溶解度随压力的增大而增大；当压力一定时,其溶解度随温度的升高而减小；当乙醇做共溶剂时,其溶解度随乙醇的摩尔分数增加而增大；实验值可以用四参数的Chrastil模型以及修正的Chrastil模型进行关联,关联数据表明5-HMF在二氧化碳(CO2)中的溶解过程是一个吸热过程,乙醇的加入降低了这个过程所需的能量。5-HMF可以溶解于scCO2中,为scCO2萃取5-HMF提供了理论依据。
果糖;葡萄糖;5-羟甲基糠醛;离子液体;生物质转化;超临界二氧化碳
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
吴卫泽
2011
中文
TQ251.11;TK6
85
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）