非均相催化剂水热转化葡萄糖产乳酸的基础研究

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进入21世纪，资源与环境问题已经成为人类面临的最严峻的问题之一，因此寻找一种绿色环保的新能源代替化石燃料已经迫在眉睫。生物质废弃物因为其绿色环保、成本低廉等好处成为代替化石资源的最佳选择。传统的生物质废弃物资源化方法包括生物发酵、沼气化和燃烧发电等。但这些方法具有效率低、工艺复杂、能耗高以及对环境产生二次污染等缺点。本研究致力于亚临界条件下利用水热法将生物质转化为高附加值的工业原料，具备工艺简单、对环境危害少、反应效率较高的优点，为如何将生物质废弃物重新转化为可利用能源提出了新思路。
　　首先，本文以葡萄糖作为生物质的模型化合物，在水热反应条件下对葡萄糖产乳酸进行了研究。为了解决水热反应腐蚀严重的问题，实验分别针对强碱弱酸盐、两性氢氧化物、两性氧化物等催化剂进行水热反应转化葡萄糖产乳酸的可行性研究，筛选出了催化效果较好的Na2SiO3、Al(OH)3和MnO2，证明了其水热转化葡萄糖产乳酸的有效性。在此基础上，研究了催化剂添加量、反应温度、反应时间、水填充率等各个影响因素对乳酸产率的影响，得到了产乳酸的最佳反应条件。Na2SiO3催化葡萄糖水热产乳酸的最高产率为30％，最佳反应条件为：0.1 mol/L葡萄糖，0.6 mol/L Na2SiO3，反应温度300?C，水填充率35%，反应时间60 s。Al(OH)3催化葡萄糖水热转化产乳酸的最高产率为17%，最佳反应条件为：0.1 mol/L葡萄糖，0.8 mol/L Al(OH)3，反应温度300?C，水填充率35%，反应时间60 s。MnO2催化葡萄糖水热转化产乳酸的最高产率为23%，反应条件为：0.1 mol/L葡萄糖，0.8 mol/L二氧化锰，反应温度300?C，水填充率35%，反应时间90 s。
　　其次，通过SEM、EDS、XRD、ICP等分析手段，对反应管壁进行分析，发现本研究所选用的催化剂对反应容器的腐蚀程度远小于传统强碱性催化剂的腐蚀程度。通过利用HPLC、GC-MS、TOC等分析手段，对葡萄糖水热转化产乳酸的中间产物进行分析，对反应路径进行了探讨。通过与文献报道的水热转化的中间产物进行对比，认为本文中产乳酸的路径与文献中的报道基本一致。
　　最后，本文还利用硅酸钠直接水热转化纤维素产乳酸，得到了29%的最高产率。催化效果较好，不仅产率高于传统强碱性催化剂，而且大大降低了反应过程中的腐蚀程度。本研究成果，为碳水化合物资源化提供了宝贵的参考数据，同时为实现生物质废弃物资源化的工业化提供了理论和技术支持。

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作者
张正帅;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科环境科学与工程
授予学位硕士
导师姓名金放鸣;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类催化过程;
关键词
生物质废弃物; 水热反应; 催化剂; 葡萄糖; 乳酸; 资源化;

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