多级孔HUSY分子筛催化(半)纤维素水解至糖的研究

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随着化石资源的日益消耗,人们越来越重视利用可再生资源来代替化石资源。自然界中普遍存在、可再生的生物质资源是重要的替代资源之一,如何高效利用其主要成分纤维素、半纤维素是一个亟待解决的问题。(半)纤维素的水解产物——糖,能进一步转化为生物燃料和其它一系列高附加值化学品,是生物质转化过程中的重要平台分子。因此,水解(半)纤维素到糖是目前研究生物质转化的一个重要方向。沸石是一类具有高比表面的多孔固体材料,由于其独特的择形催化效应和较高的热稳性,被广泛应用于石油化工领域。但其微孔尺寸较小,大分子在其中存在较大的传质阻力,在生物质大分子转化过程中的应用还较少。本文以HUSY及改性的HUSY分子筛为研究对象,考察其在(半)纤维素水解中的催化性能。根据(半)纤维素分子体积较大和酸催化(半)纤维素水解反应机理,对HUSY分子筛的孔结构和酸性进行调变。孔结构调变是采用酸处理的方法在原有微孔的基础上引入大量介孔,制备出多级孔HUSY分子筛,以改善其传质效果;酸性调变是在多级孔HUSY分子筛上嫁接磺酸基团,以提高其酸性。论文首先考察了酸处理制备多级孔HUSY分子筛所需的酸浓度、处理时间和温度,并对制备的多级孔HUSY分子筛进行了XRD、XRF、FTIR、NH3-TPD、N2物理吸附等表征。结果显示:酸处理可以有效地在HUSY分子筛上引入介孔,且酸浓度对多级孔HUSY分子筛性质的影响最为显著。将不同多级孔HUSY分子筛用于半纤维水解反应时发现,使用0.2 M草酸85℃处理4h所得的多级孔HUSY分子筛做催化剂,半纤维素水解总还原糖收率最高。使用该催化剂,进一步优化了半纤维素水解反应条件,发现催化剂、半纤维素、水质量比为1:1:100,140℃反应6 h,还原糖收率达到61.3%。其次,当使用具有强酸性的磺化多级孔HUSY分子筛催化半纤维素水解时,还原糖收率进一步提高,催化剂、半纤维素、水质量比为1:2:200,140℃反应9 h,还原糖收率为78%。最后,将磺酸化多级孔HUSY分子筛用于催化具有水解抗性的纤维素水解反应,结果也表明介孔和强酸性有助于提高HUSY分子筛的催化性能,从而提高纤维素转化率及还原糖收率。
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