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《华南理工大学》 2018年
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基于离子液体的竹材水热转化残渣分离及转化研究

Kassanov Bekbolat  
【摘要】:竹子产量巨大,纤维素含量丰富,一直被认为是生物质资源中最理想的化工生产原料之一。本论文以竹子的水热转化残渣(用水热法脱去了大量的半纤维素)为原料,设计了离子液体/乙醇法处理工艺,并研究了该工艺分离木质素及纤维素的工艺条件,并分别对分离产物进行了缓和氢解和酶解糖化催化转化的工艺研究。该工艺整个过程高效迅速,条件温和,转化率高,环境友好,可回收循环利用,完全符合了当今绿色化学的标准。采用离子液体/乙醇法分离木质素及纤维素,该工艺的最佳条件为:反应温度160℃,反应时间150 min,[AMIM]Cl/乙醇体积比1:1,固液比1:10,此时溶解率达41.7%。同时所得粗木质素的纯度达86.7%,粗纤维素纯度达92.0%,[AMIM]Cl回收循环利用效果良好。所得木质素中含有较多的紫丁香基官能团,原料经预处理后,木质素中的芳基醚键和酯键被打断并发生降解。离子液体脱除了大量的木质素,基本未破坏纤维素结晶结构,木质素的降解使得纤维素纯度增加,导致纤维素结晶度的增加。利用高压反应釜在氢气2 MPa,温度260℃,时间80 min,转速450 rpm/min的条件下,对所得木质素进行氢解。气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析表明,所得木质素氢解产物多为短链酚类化合物及含酚羟基的芳香化合物。将所得木质素的氢解产物部分代替苯酚制备了苯酚—糠醛树脂,探究了木质素氢解产物对苯酚替代率对酚醛树脂黏结强度、固含量、固化时间、游离醛含量、游离酚含量及黏度的影响,结果表明,苯酚替代率为60%的条件下,所得酚醛树脂黏结强度可达2.06 MPa,游离酚含量低于国家标准,固化时间显著缩短。差示扫描量热(DSC)分析表明此替代率下所制备木质素基酚醛树脂热稳定性更好。将所得纤维素进行酶解糖化工艺的研究,并考察纤维素酶在不同条件下对纤维素的酶解糖化率。得到该工艺的最优工艺为:反应温度50℃,pH值为4.5,纤维素酶用量2g/L,反应时间48 h。在此条件下的酶解糖化率达到83.7%,酶解糖化过程破坏了纤维素的结晶结构,降低了结晶度。采用丹宁法回收的纤维素酶在重复使用了3次之后,酶解糖化率仍然有72.9%。以所得到的葡萄糖为原料,以不同的Bronst酸和Lewis酸为催化剂,离子液体[AMIM]OAc为溶剂,进行催化转化制备5-羟甲基糠醛的研究,结果表明:Bronst酸在[AMIM]OAc中催化效率较差,Lewis酸的催化效果较好,其中CrCl_3效果最好。选取CrCl3为催化剂,最佳工艺条件:固液比1:10、10 mol%的CrCl_3催化剂量、160°C的反应温度和3 h的反应时间,此时的5-羟甲基糠醛产率达到56.8%。[AMIM]OAc/CrCl_3体系在循环使用5次后依然保持稳定高效的效率。以制备的5-HMF为原料,以不同有机酸与氯化胆碱合成的DES(深度共熔离子液体)为催化剂,进行5-乙氧基甲基糠醛制备的探索性研究。发现5-HMF的转化效果高于果糖。以草酸/氯化胆碱DES为催化剂,当催化剂用量15%,乙醇用量为20 g,温度80℃,时间8 h时,EMF的产率达到49.2%。以(草酸/CrCl_3)/氯化胆碱DES为催化剂催化葡萄糖转化EMF时,草酸/CrCl_3摩尔比1:2,催化剂用量15%,乙醇用量为20 g,温度100℃,时间8 h时,EMF的产率可达到11.3%。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ351.2

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