【摘 要】
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随着人类对石油、煤炭等不可再生的化石燃料的需求不断增加,利用纤维素制取乙醇也成为研究热点。纤维质是地球上资源量最丰富的可再生资源之一,研究其综合利用对可持续发展具
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随着人类对石油、煤炭等不可再生的化石燃料的需求不断增加,利用纤维素制取乙醇也成为研究热点。纤维质是地球上资源量最丰富的可再生资源之一,研究其综合利用对可持续发展具有重大意义。超、亚临界水因具有反应速度快、溶解性好等优点,因此利用其进行纤维素水解。
在间歇式高压反应釜中,研究了纤维素在亚临界水中的水解,考察不同反应条件对水解效果的影响,探索纤维素水解的反应规律和反应机理,计算反应动力学参数。同时,对水稻秸秆水解进行初步研究。
在亚临界水中水解纤维素,结果发现:200℃时,随着反应时间的增加,葡萄糖收率逐渐提高;220℃时,在最初的1.0h内,葡萄糖收率随反应时间增加而提高,1.0h后,葡萄糖收率逐渐减小;240℃时,1.0h还有少量葡萄糖存在,1.5h及以后收率降为零;260℃时,产物中未检出葡萄糖。220℃时,反应1.0h达到最高收率7.71％。
通过研究AlCl3、COCl2、FeCl3、Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3及H2CO3等催化剂,发现这些催化剂均可以提高纤维素水解速率,但是对葡萄糖收率有较大区别:200℃时,以葡萄糖收率衡量的各催化剂活性顺序为,FeCl3＞CoCl2＞AlCl3,Fe(NO3)3＞Fe2(SO4)3＞FeCl3;充入CO2分压(2MPa、4MPa、6MPa)越大,葡萄糖收率越高;在以Fe(NO3)3为催化剂、温度200℃、反应时间0.5h时,葡萄糖最大收率为21.45%。
分析不同温度的纤维素反应速率常数k1、葡萄糖分解速率常数k2发现温度升高,k1、k2均增大,而k2都大于k1,证明葡萄糖的分解速度大于纤维素的水解速度。其中纤维素水解的活化能Ea1=254.24kJ·mol-1,葡萄糖分解反应的活化能Ea2=203.23kJ.mol-1。催化剂既增大了纤维素水解速率常数k1,也增大了葡萄糖反应速率常数k2。CO2可以同时加快纤维素水解和葡萄糖分解,但到达一定分压后,增加CO2的量可以一定程度上抑制葡萄糖分解,这对葡萄糖收率很有利。
论文还研究了水稻秸秆在亚临界水中的水解。本试验中水稻秸秆水解得到的葡萄糖收率并不高。在260℃,0.5h时,葡萄糖的最高产率是2.26%。尽管最高产率出现在260℃,但单糖产率随着反应时间增加,下降明显。220℃和240℃时单糖收率稳定,是比较适合秸秆水解的温度。
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