过渡金属盐FeCl3催化纤维素对其结构及其降解产物研究开题报告

 2022-05-06 08:05

1. 研究目的与意义

在众多的替代和新生资源之中,生物质资源由于其低成本、广泛易获取性和可再生性等特点而越来越受到重视,可作为生产能源、饲料和其他高附加值化学品的重要原料,成为了人类将来发展的替代资源之一。

纤维素是世界上分布较多的一种可再生资源,利用纤维素代替不可再生的石化资源来生产能源及相关化学品目前已得到世界各国的高度重视。纤维素催化降解可生成多种高附加值产物,包括5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、乳酸等。但是,目前这些产物的研究主要通过可食用单糖为底物,矿物酸或固体催化剂催化反应进行,成本高且效率偏低。

乳酸(又称2-羟基丙酸)是一种重要的多用途有机酸, 目前已被广泛应用于食品、制药、饲料、医药、农药、日用化工、皮革和纺织等行业。乳酸最早是于1780年从变质的牛奶中分离获得的并于1881年开始商业化生产。目前,乳酸的生产方法主要分为3种:(1)化学合成法;(2)酶法;(3)微生物发酵法。

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2. 研究内容和预期目标

技术要求:学会fecl3催化反应操作、纤维素在水相和双相条件下的降解路径、产物分析、纤维素结晶结构分析表征等。

设计条件:纤维素是世界上分布较多的一种可再生资源,利用纤维素代替不可再生的石化资源来生产能源及相关化学品目前已得到世界各国的高度重视。纤维素催化降解可生成多种高附加值产物,包括5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、乳酸等。但是,目前这些产物的研究主要通过可食用单糖为底物,矿物酸或固体催化剂催化反应进行,成本高且效率偏低。本研究利用fecl3作为催化剂催化纤维素降解产5-羟甲基糠醛及有机酸。重点考察fecl3对纤维素在水相和双相体系的降解路径和结构变化,主要降解产物分布及其选择性,并考察得最优反应条件。

工作要求:选择fe金属离子,分析其纤维素降解能力,最优反应温度,最优反应时间。

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3. 研究的方法与步骤

1.1 实验材料

底物:微晶纤维素

催化剂:FeCl3

反应器:30mL高压反应釜

溶剂:去离子水和正丁醇

1.2 实验操作

电子天平称量适量催化剂

电子天平称量适量纤维素

去离子水,正丁醇与催化剂、纤维素配成溶液

1.3 产物分析

利用高效液相色谱进行分析,根据HMF,有机酸的量比较分析,对催化剂和纤维素的加量适当加减,直到找到最适合的比例和最适温度与最适时间。

1.4结果讨论

通过高压反应釜对Fe金属离子催化纤维素在不同的温度下

1.对其结构的影响(表征)

2.降解产物:低聚葡萄糖及其分布(液相色谱)

3.副产物:乳酸、乙酰丙酸的生成(液相色谱)

4.目标产物(液相色谱)

纤维素为底物

实验序号

催化剂

去离子水(mL)

有机相正丁醇

底物

浓度

催化剂浓度

反应

温度

反应

时间

1

FeCl3

12mL

19mL

2%

0.5

mol/L

220℃

10min

2

FeCl3

12mL

19mL

2%

0.5

mol/L

240℃

10min

3

FeCl3

7.3mL

23.4mL

4%

0.5

mol/L

220℃

40min

4

FeCl3

7.3mL

23.4mL

4%

0.5

mol/L

240℃

40min

5

FeCl3

7.3mL

23.4mL

4%

0.5

mol/L

200℃

10min

6

FeCl3

7.3mL

23.4mL

4%

0.5

mol/L

200℃

40min

7

FeCl3

7.3mL

23.4mL

4%

0.5

mol/L

220℃

10min

8

FeCl3

7.3mL

23.4mL

4%

0.5

mol/L

220℃

40min

9

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

0.5

mol/L

200℃

10min

10

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

0.5

mol/L

200℃

40min

11

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

0.5

mol/L

220℃

10min

12

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

0.5

mol/L

220℃

40min

13

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

1mol/L

180℃

10min

14

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

0.5

mol/L

180℃

10min

15

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

0.25

mol/L

180℃

10min

16

FeCl3

7.3mL

23.4mL

8%

0.125

mol/L

200℃

10min

17

FeCl3

30mL

0mL

4%

0.25

mol/L

220℃

30min

18

FeCl3

30mL

0mL

4%

0.25

mol/L

240℃

30min

19

FeCl3

30mL

0mL

4%

0.125

mol/L

220℃

30min

20

FeCl3

30mL

0mL

4%

0.125

mol/L

240℃

30min

4. 参考文献

1.wei, h., donohoe, b.s., vinzant, t.b., ciesielski, p.n., wang, w., gedvilas, l.m.,zeng, y., johnson, d.k., ding, s.y., himmel, m.e., tucker, m.p. 2011. elucidating the role of ferrous ion cocatalyst in enhancing dilute acid pretreatment of lignocellulosic biomass. biotechnology for biofuels, 4, 48-63.

2. zhao, h., holladay, j.e., brown, h., zhang, z.c. 2007. metal chlorides in ionic liquid solvents convert sugars to 5-hydroxymethylfurfural. science, 316, 1590-1600.

3. peng, l., lin, l., zhang, j., zhuang, j., zhang, b., gong, y. 2010. catalytic conversion of cellulose to levulinic acid by metal chlorides. molecules, 15, 5258-5272.

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5. 计划与进度安排

1、2022年12月25日-2022年3月1日 查阅文献,根据任务书书写开题报告,制定实验方案,翻译外文 文献;

2、2022年3月2日-2022年3月10日 准备催化反应器及催化剂,熟悉反应操作;

3、2022年3月11日-2022年4月22日 催化反应、产物及结构分析;

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