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麦草碱木素的催化磺化改性及其在石油回收中的应用研究

周强  
【摘要】:鉴于制浆黑液中的碱木素具有多分散性较大、分子不均一的特点,为有效提高技术木素产品的整体性能,长期以来采用先级分木素、后在均相体系中反应的方法,对碱木素进行化学改性,但此法存在木素利用率低产品难从反应相中分出的缺陷。为真正高效利用碱木素,本论文根据我国实情,紧紧围绕着麦草碱木素两步磺甲基化(第一步为羟甲基化,第二步为磺化)及其应用这一主题,以开发出在反应过程中既可催化反应又能使木素分子均一化的多相催化体系为主要目标,系统地展开了研究。 本文在麦草碱木素级分的化学特性研究基础上,提出了设计及制备固体碱(沸石)催化剂的方法,探索并确立了多相催化羟甲基化反应这一崭新技术路线,并通过对此工艺条件下所得的羟甲基化木素产品的分析,提出了沸石催化剂的催化作用机理。为进一步深化对此催化机理的理解及为未来的工业放大实验作准备,还进行了羟甲基化反应的宏观动力学研究。最后,对羟甲基化麦草碱木素的磺化及其在石油回收中的应用亦进行了探讨。 麦草碱木素级分的研究结果表明,各种功能基如酚羟基、甲氧基、羰基等随级分分子量存在一定的规律性,但结合木素各级分的结构单元比例的分析结果,可归结为木素进行分级分离主要有利于提高未来改性产品的整体性能。由此说明在改性反应过程中,改变反应体系,利用多相催化反应过程来解决木素的不均一性是可行的。 根据沸石催化剂的设计原理,说明利用其特定孔道内的活性中心,可实现反应分子的择形催化过程,从而达到改变已知化学反应的途径及产物选择性的目的。在此基础上合成出了适合木素羟甲基化反应的沸石催化剂,其化学组成通式为(1~5)M_(2/n):Al_2O_3:(1~10)SiO_2:(0~10)H_2O(M指一种可交换的阳离子,n为阳离子的价数),孔径在3~13(?)间。 多相羟甲基化正交试验得出较优反应条件为:温度80℃、时间240min、沸石催化剂用量1wt%。此外,由反应产品具有类似西瓜的清香味及熔程在80~120℃间可知,多相催化反应效果是明显且独特的。 对羟甲基化木素的化学特性研究表明,沸石催化产品具有酚羟基增多、均一性提高以及平均分子量显著下降的特点,但与均相催化产品的总体结构差异不大,说明沸石催化剂不仅具有催化功能,还具有一定的断键功能。其催化作用原理则主要体现为电子效应和几何效应两方面。 均相羟甲基化的动力学研究表明,木素与甲醛反应为二级反应,其活化能


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