磁固体酸的制备及其水解纤维素性能研究

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近年来,随着社会的发展和工业化进程的加快,全球范围内的资源紧张与环境污染问题日益突出。纤维素在生物质中的占比较高,是生物质中极为重要的组成部分,其水解产生的葡萄糖可进一步利用发酵或化学工艺来转化成生物乙醇等燃料和多种化学品。无机酸、纤维素酶是纤维素水解反应中最主要的两种催化剂,但二者分别存在着环境污染、经济成本高以及难以多次回收利用等问题。近年来,环境友好型的固体酸被用于纤维素水解研究中,但传统固体酸难以从反应物残渣中回收重用。为此,本文合成制备了磁性固体酸催化剂,并对发展前景进行了总结和展望,以期为磁性固体酸在纤维素水解中的应用提供参考。具体来说,本论文各章节的主要内容如下:第1章,在简单介绍了生物质主要利用形式的基础上,对生物质中纤维素的水解方法进行了综述,并对不同方法的优缺点进行了概述,接着对最具发展前景的磁性固体酸催化剂进行了详细的归类和讨论,最后指出了本课题的主要研究内容和创新点。第2章,采用共沉淀法制备出Fe3O4纳米颗粒,并考察了离子液体C4咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)的加入量对Fe3O4纳米颗粒团聚现象的影响,结果表明,适量的[BMIM]BF4有助于Fe3O4纳米颗粒的分散。在此基础上利用正硅酸乙酯水解法(St(?)ber法)制备出Fe3O4@SiO2;通过磺化步骤制备出磁性固体酸Fe3O4@SiO2-SO3H,并通过电子显微镜和能谱分析等测试手段对Fe3O4@SiO2、Fe3O4@SiO2-SO3H进行表征分析。水解实验表明:Fe3O4@SiO2-SO3H固体酸催化剂对微晶纤维素水解具有良好的催化性能且稳定性良好,在反应温度为140℃,含水量为1 wt.%,酸料比为1.5时,达到最高还原糖(RS)产率54.89%。第3章,为了提高磁固体酸的酸量,增加其催化活性,采用聚苯乙烯(PS)对Fe3O4纳米颗粒进行包覆。首先,用油酸对亲水性Fe3O4进行表面修饰;然后,利用乳液聚合法制备出Fe3O4@PS;最后,磺化得到磁固体酸Fe3O4@PS-SO3H。通过VSM表征对所制备材料的磁性进行分析,结果表明其饱和磁化值为35.28 emu·g-1,具有较强的磁性;最佳磺化条件下磁性固体酸酸量为3.56 mmol·g-1,酸量有明显提升。在微晶纤维素水解反应中,表现出更高的催化性能,RS产率最高可以达到64.14%。第4章,在总结了本文主要研究成果的基础上,对未来研究所面临的问题进行了分析,并对磁固体酸催化纤维素制取RS的发展进行了展望。
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