小米炭磺酸制备及其催化性能的研究

【摘要】： 随着人们环境意识的加强和环境保护要求的日益严格,有关固体酸催化剂的研究也得到了长足的发展。目前有机固体磺酸材料虽然已广泛应用于工业领域,但其自身存在着价格高、强度差、在有机溶剂中易膨胀、且来源于煤和石油等不可再生的矿物资源等缺陷。利用生物质制备固体磺酸材料有着广泛的应用前景和深远的战略意义。 本文以天然球形小米为颗粒炭源,采用减压热解炭化,通过优化升温速率、炭化温度和保温时间等因素制备出了小米基颗粒炭材料。采用发烟硫酸作为磺化试剂制备出了球形小米炭磺酸,考察了发烟硫酸浓度、磺化温度、磺化时间、磺化升温速率等对小米炭磺酸酸量的影响规律。在较优条件下制备的小米炭磺酸的酸量达1.00-1.80mmol.g~(-1)。 采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等对小米炭和小米炭磺酸进行了表征。FT-IR研究表明小米炭经过减压炭化后形成炭的稠环前躯体,所制备的小米炭磺酸有明显的C-S吸收峰。TG研究表明,小米主要在250-300℃失重,小米炭磺酸在220℃有一个大的磺酸基团的失重峰;SEM分析表明小米炭表面孔道呈蜂窝状,磺化后表面蜂窝保持良好;XRD研究表明小米炭随减压炭化温度升高无定形程度加大。 本文还考察了小米炭磺酸在酯化反应、环己烯与甲酸、乙酐反应、甘油的缩醛(酮)反应中的催化作用。小米炭磺酸在催化酯化反应中,2h后醇的转化率都大于90%,且对应酯的选择性均达到100%。在羰基化合物与甘油的缩合反应中也具有非常好的催化活性,尤其是环己酮与甘油的缩合反应中,转化率可达99%。重复使用8次后仍有较好的转化率。结果表明小米炭磺酸催化活性较高,具有很好的重复使用性。采用两步法合成出的小米炭磺酸是一种新型的生物炭基磺酸,丰富了生物炭基磺酸的研究内容。