amberlyst 15催化纖維素水解的研究

《amberlyst 15催化纖維素水解的研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、Amberlyst15催化纖維素水解的研究1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1概述隨著人類科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，化石資源消耗加劇，能源問題的嚴(yán)峻性逐漸顯現(xiàn)。據(jù)報(bào)道，石油開采量下降10%~15%足以令發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)陷入癱瘓，以當(dāng)前的使用速度，碳?xì)淙剂显蠈⒃?050年枯竭[1]。為了實(shí)現(xiàn)化石資源逐漸被可再生資源替代，滿足人類社會(huì)對(duì)能源、化工原材料等的需求，世界各國(guó)紛紛走上了生物質(zhì)綜合利用之路。開發(fā)利用各種新型的資源，特別是可再生的農(nóng)林資源，已成為化解能源危機(jī)的有效途徑。作為地球上最為豐富的天然有機(jī)可再生資源，纖維素資源及其衍生物的研究、開發(fā)和應(yīng)用具有很高的社會(huì)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。纖

2、維素主要由植物通過光合作用合成，每年能生產(chǎn)約1.5×1012t，是自然界取之不盡、用之不竭的可再生資源。近年來，隨著石油、煤炭?jī)?chǔ)量的下降以及石油價(jià)格的飛速增長(zhǎng)，以及各國(guó)對(duì)環(huán)境污染問題的日益關(guān)注和重視，纖維素這種可持續(xù)發(fā)展的再生資源的應(yīng)用愈來愈受到重視[2]。1.2纖維素的結(jié)構(gòu)纖維素是由D-吡喃葡萄糖環(huán)以β-1,4-糖苷鍵以C1椅式構(gòu)象聯(lián)結(jié)而成的線形高分子，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為(C6H10O5)n，纖維素分子中的每個(gè)葡萄糖基環(huán)上均有3個(gè)羥基，分別位于第2、第3和第6位碳原子上，其中C6位上的羥基為伯醇羥基，而C2和C3上的羥基是仲醇羥基。這三個(gè)羥基在多相化學(xué)反應(yīng)中有著不同的特性，

3、可以發(fā)生氧化、酯化、醚化、接枝和共聚等反應(yīng)。纖維素的結(jié)構(gòu)式可以用Haworth式表示：圖1纖維素的結(jié)構(gòu)式1.3纖維素的化學(xué)轉(zhuǎn)化1.3.1纖維素的水解纖維素長(zhǎng)鏈?zhǔn)且岳w維二糖為基本結(jié)構(gòu)單元通過β-1,4糖苷鍵相互連接而形成的高分子化合物。在對(duì)纖維素降解的過程中，將β-1,4糖苷鍵斷裂就是必不可少的一步。目前，纖維素的水解常見方法有：濃酸水解法、稀酸水解法、亞臨界及超臨界水水解法、固體酸催化水解法、酶水解法和超低酸水解法。1.3.1.1濃酸水解纖維素在濃酸中發(fā)生均相水解，纖維素結(jié)晶體在濃酸中潤(rùn)脹或溶解后，通過形成酸的復(fù)合物后再水解生成低聚糖和葡萄糖[3]。在65～75wt%的

4、硫酸、80～85wt%的磷酸、38～42wt%的鹽酸中，纖維素水解轉(zhuǎn)化為主要是纖維三糖的幾個(gè)葡萄糖單元的低聚糖，水解反應(yīng)后期，加水稀釋濃度并提高反應(yīng)溫度，使回聚的低聚糖再度發(fā)生水解，可以提高葡萄糖的得率。水解特點(diǎn)是：(1)反應(yīng)為均相；(2)水解過程中回聚作用并發(fā)生葡萄糖分解，葡萄糖回聚是纖維素水解的逆過程，水解溶液中酸和單糖的濃度越大，回聚的程度越大。歐陽(yáng)平凱[4]等對(duì)纖維素水解過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。結(jié)果表明，當(dāng)硫酸濃度在65～75wt%，水解溫度為在50~60oC，還原糖得率最高，達(dá)87.8%。濃酸水解雖然用酸量多，但在濃酸條件下可大大增加酸向纖維素分子的擴(kuò)散速度，低溫

5、下水解不會(huì)引起葡萄糖的分解，因此得糖率大大高于稀酸水解。盡管濃酸催化效果較好，但具有強(qiáng)烈的腐蝕性，對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕，產(chǎn)生大量廢水對(duì)環(huán)境造成破壞。1.3.1.2稀酸水解稀酸法是研究最廣泛、最有效的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法之一。在纖維素的稀酸水解過程中，H3O+與氧原子相結(jié)合，打斷了纖維素鏈中的糖苷鍵和葡萄糖分子中的雜環(huán)醚鍵，纖維素長(zhǎng)鏈發(fā)生斷裂，水解成低聚糖和葡萄糖同時(shí)又釋放出氫離子[5]。稀酸水解的溫度較高，，時(shí)間比較短，催化劑的成本比較低，水解得到的還原糖會(huì)進(jìn)一步降解生成對(duì)發(fā)酵有害的酚類、有機(jī)酸和醛類等副產(chǎn)品[6]。伯永科[7]等以脫脂棉、濾紙為原料對(duì)纖維素水解進(jìn)行了研究

6、，考察了不同稀硫酸濃度、時(shí)間和溫度等因素對(duì)水解過程的影響，確定了纖維素最佳反應(yīng)條件。研究結(jié)果表明，硫酸濃度為4%，水解時(shí)間為80min時(shí)，還原糖得率最高。1.3.1.3超低酸水解超低酸是指質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%的酸，以超低酸為催化劑在較高溫度下對(duì)纖維素進(jìn)行水解稱為超低酸水解。超低酸對(duì)設(shè)備的腐蝕性低，減少水解后中和試劑的用量，從而在減少環(huán)境污染，降低處理成本方面較其它工藝有很大的優(yōu)勢(shì)[8]。段曉玲[9]等分別以稻草、玉米秸稈和小麥桿為原料研究纖維素在超低酸中的水解，考察了水解溫度與水解時(shí)間對(duì)不同秸稈水解的影響。相同條件下，不同種類的秸稈水解得到的還原糖濃度差異很大，這與原料

7、中纖維素的含量及纖維素水解的轉(zhuǎn)化率有關(guān)。1.3.1.4固體酸水解法固體酸催化纖維素水解在近些年來一直是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。其催化纖維素水解反應(yīng)的機(jī)理由以下兩步進(jìn)行：第一步，由于固體酸催化劑表面一般存在著Lewis和Bronsted酸，水在高溫狀態(tài)下易在固體酸催化劑表面質(zhì)子化形成氫離子，從而起到促進(jìn)催化纖維素第一步水解反應(yīng)的作用。形成的氫離子與纖維素發(fā)生作用，使纖維素水解生成纖維二糖。而第二步由于固體酸的催化活性基團(tuán)如羥基等，能與糖分子中的羥基作用而對(duì)糖分子單元進(jìn)行吸附并誘導(dǎo)β-1,4糖苷鍵變形。磺酸基等基團(tuán)使β-1,4糖苷鍵發(fā)生斷裂，水解成葡