基于模型化合物的木质素热解机理研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

随着化石能源的日益衰竭和生态环境的恶化,开发可持续清洁液体燃料和化工产品受到了广泛关注。生物质作为重要的可再生资源,可以替代化石能源减少温室气体排放,缓解气候变化。同时生物质是能源和化工可持续发展的重要原料,据统计10%~14%的全球总能耗是由生物质能提供。

木质素与纤维素、半纤维素黏结在一起形成植物的主要支撑结构,且木质素在自然界中的含量非常丰富,它的含量是仅次于纤维素的天然髙分子化合物,也是自然界中唯一可以提供大量芳香基化合物的可再生能源。植物体中一般含木质素15%~36%,作为地球上产量仅次于纤维素的天然大分子有机物,木质素蕴藏着巨大的应用前景。然而,现阶段木质纤维素类生物质的开发与应用主要集中于纤维素和半纤维素方面,已广泛应用于造纸、生物乙醇等领域,而木质素作为主要组分之一,却未得到合理利用,所以对木质素热解过程及产物析出的研究具有重要意义。

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2. 国内外研究现状分析

Patwardhan等认为木质素的热解分为两个步骤。首先,通过对木质素大分子的热裂解,形成苯酚、4-乙烯基苯酚、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚、2,6-二甲氧基苯酚等单体酚类化合物的蒸气,然后对单体化合物进行再低聚,在蒸汽冷凝过程中产生大量的二聚体等低聚产物。然而,由于木质素结构的复杂性,要阐明木质素热解的详细机理是非常困难的。木质素模型化合物由于其结构简单,形成相似的热解产物,常用于更好地了解热解过程。

Chen等以1-(4-甲氧基)-2-(2-甲氧基)乙醇为β-O-4型模型化合物,为阐明其热解机理,采用分析快速热解-气相色谱质谱(Py-GC/MS)实验,同时,利用密度泛函理论(DFT)计算。结果表明,木质素二聚体在较低的热解温度下发生Cβ O键均裂生成4-甲氧苯乙烯和愈创木酚。而在中等热解温度下,除Cβ O均裂外,Cβ O也会发生协同分解,形成含羰基的酚醛。在高热解温度下,一次热解产物会发生二次分解反应,形成复杂的产物品种。

Huang等以α-O-4型模型化合物采用密度泛函数理论(DFT)方法,计算结果表明,Cα-O键的均裂反应是主要的热解反应通道,O-CH3键的均裂反应和Cα-Cβ键的均裂反应是模型化合物热解过程中的竞争反应通道。主要热解产物为愈创木酚、对羟基苯乙醇、对羟基苯乙醛、2-羟基苯甲醛等酚类化合物。

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3. 研究的基本内容与计划

生物质是由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成。木质素的结构十分复杂,是由苯基丙烷类的结构单元通过碳碳键和醚键连接而成的三维高分子化合物,含有多种活性官能团,热解机理非常复杂,至今仍不明朗。然而,已有的研究都集中在纤维素、半纤维素热解等方面,对木质素热解机理研究较少。本研究从木质素的结构着手,通过简化,选择多种木质素模型化合物,用快速热解-气相色谱质谱联用仪对其产品进行分析。从热解产物的成分推断木质素模型化合物在高温下化学键的断裂情况,从而为木质素热解机理的提出奠定基础。

实验初期两个月内,通过查阅大量的中英文文献,对木质素相关领域有较详细的了解,并设计实验,制备样品,学习和掌握反应仪器操作;实验后期,整理数据并分析,补充与完善实验,同时按照学校格式要求完成毕业论文写作与答辩。

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4. 研究创新点

木质素复杂的结构是研究木质素热解机理的主要障碍,在现有的研究内容当中,大多数研究主要停留在理论研究和数值模拟上,从而去了解木质素模型化合物的反应路径和反应产物。同时,木质素研究的主流基本都是β-O-4型模型化合物,未对其他连接方式的模型化合物有过多的研究,而且研究内容较为单一,对于木质素之间的反应过程以及木质素与半纤维素和纤维素之间的反应机理研究较少,因此,本文有如下方面的创新研究:

(1)选取一系列具有代表性的木质素模型化合物,借助Py-GC/MS从分子水平研究分析各种模型化合物化学键的断裂规律,从而初步理解木质素的热解机理。

(2)将各类木质素模型化合物进行混合,再借助Py-GC/MS从热解产物的成分推断木质素模型化合物在高温下的相互作用情况,以更全面的理解木质素热解机理。

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