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        氯化鐵催化木糖降解制備糠醛反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

        2015-08-19 06:44:40馬賽李憑力朱濤林龍
        化工進(jìn)展 2015年1期
        關(guān)鍵詞:氯化鐵糠醛木糖

        馬賽,李憑力,朱濤,林龍

        (1天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程研究所,天津 300072; 2天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

        生物質(zhì)是一種可再生資源,同時(shí)也是唯一一種可再生碳源。發(fā)展生物質(zhì)能源是節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的主要措施之一,是解決未來能源危機(jī)的重要途徑[1-2]。我國生物質(zhì)資源非常豐富,每年產(chǎn)生的植物秸稈就達(dá)8億噸。植物秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成。纖維素是由葡萄糖聯(lián)結(jié)而成的高分子聚合物,它主要應(yīng)用于取代石油和糧食來生產(chǎn)乙醇等。半纖維素由不同的戊糖聚合而成,包括木聚糖、阿拉伯聚糖等,在酸性條件下,它可以水解得到以木糖為主的單糖,得到的單糖通過脫水環(huán)化進(jìn)一步生成糠醛[3-4]??啡┎粌H在工業(yè)上有著很重要的用途,還可作為化工原料發(fā)生氫化、氧化、氯化、硝化和縮合等化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生1600多種衍生物,產(chǎn)品覆蓋石油化工、合成樹脂、食品、醫(yī)藥、精細(xì)化工以及合成纖維等諸多行業(yè)[5]。

        戊糖降解生成糠醛的動(dòng)力學(xué)研究通常使用木糖作為原料,阿拉伯糖的降解過程類似于木糖[6]。早期的動(dòng)力學(xué)模型可追溯到20世紀(jì)40年代,Dunlop[7]使用純木糖作原料,通過硫酸或鹽酸催化得到糠醛。最近的木糖降解動(dòng)力學(xué)研究主要用非均相催化劑[8]、高溫液態(tài)水[9]、有機(jī)酸[10]和礦物酸[11-12]等。

        工業(yè)上糠醛生產(chǎn)主要使用礦物酸作催化劑,然而,因使用礦物酸而帶來的環(huán)境問題相當(dāng)嚴(yán)重[2]。非均相催化劑和高溫液態(tài)水催化可以避免污染問題,但是由于技術(shù)問題目前工業(yè)上并不可行。有機(jī)酸可以通過精餾等手段得到有效回收,但是其酸性較弱,催化效果不是很理想。金屬氯化物尤其是氯化鐵價(jià)格便宜,對半纖維素水解和戊糖脫水過程都有很好的催化效果,而且可以減輕設(shè)備腐蝕和污染問題[13-15]。然而,氯化鐵催化木糖降解生產(chǎn)糠醛動(dòng)力學(xué)尚未有報(bào)道。因此,本文使用氯化鐵作催化劑,研究糠醛生成和降解過程的動(dòng)力學(xué)過程。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 原料

        木糖,≥ 99%,濟(jì)南圣泉唐和唐生物科技有限公司;氯化鐵(CP,≥97.0%),糠醛(AR,≥ 99.0%),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

        實(shí)驗(yàn)的主要裝置為一個(gè)高溫高壓反應(yīng)釜,釜體采用電加熱。將一定體積的含有氯化鐵(0.1mol/L)的木糖或糠醛溶液(初始濃度均為20g/L)加入反應(yīng)釜中,在不同溫度條件下(443.15~483.15K)進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后冷卻反應(yīng)釜并測定釜內(nèi)溶液中木糖和糠醛含量。

        1.3 分析方法

        糠醛和木糖含量的測定使用裝有Aminex HPX-87H糖柱的安捷倫液相色譜儀,流動(dòng)相為0.005mol/L稀硫酸,柱箱溫度為60℃,示差檢測器溫度為40℃。定量方法為外標(biāo)法。木糖轉(zhuǎn)化率和糠醛收率的定義為式(1)、式(2)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 氯化鐵催化木糖降解過程

        圖1 不同反應(yīng)溫度下木糖轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        圖2 不同反應(yīng)溫度下糠醛收率隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        考察了443.15~483.15K下不同反應(yīng)時(shí)間的木糖轉(zhuǎn)化率和糠醛收率,結(jié)果如圖1和圖2。由圖1可以看出,木糖轉(zhuǎn)化率隨溫度的增加而迅速增加。443.15K條件下,75min時(shí)木糖轉(zhuǎn)化率僅為30%, 而483.15K條件下,45min內(nèi)木糖轉(zhuǎn)化率就可達(dá)到91%。由圖2可以看出,反應(yīng)溫度越高,產(chǎn)物糠醛的收率越高,在483.15K條件下反應(yīng)60min內(nèi)可達(dá)到糠醛最大收率的78%,進(jìn)一步延長反應(yīng)時(shí)間,由于副反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致糠醛收率下降。

        2.2 氯化鐵催化糠醛降解過程

        考察了443.15~483.15K下不同反應(yīng)時(shí)間的糠醛轉(zhuǎn)化率,結(jié)果如圖3。由圖3可以看出,溫度較低時(shí),糠醛降解速率較慢,443.15K條件下300min內(nèi)只有15%的糠醛發(fā)生降解。隨著溫度的升高,糠醛降解速率迅速增加,483.15K條件下60min內(nèi)糠 醛轉(zhuǎn)化率達(dá)到12%,時(shí)間延長到300min時(shí),已經(jīng)有一半左右的糠醛發(fā)生降解反應(yīng)。

        圖3 不同反應(yīng)溫度下糠醛轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        2.3 氯化鐵催化木糖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

        Dunlop[7]認(rèn)為木糖在生成糠醛過程中先生成一中間產(chǎn)物,中間產(chǎn)物再反應(yīng)生成糠醛??啡┮环矫婵山到馍傻途畚锖图姿?,另一方面可以與中間產(chǎn)物縮合生成其他產(chǎn)物。對于中間產(chǎn)物的研究,一些學(xué)者認(rèn)為是木糖在酸性條件下異構(gòu)化形成的1,2-烯二醇結(jié)構(gòu),之后1,2-烯二醇脫去三分子水生成糠 醛[16]。另一些學(xué)者則認(rèn)為反應(yīng)源于穩(wěn)定的吡喃型木糖,在酸性條件下首先轉(zhuǎn)化為呋喃型木糖,再脫水生成糠醛[17-18]。盡管結(jié)果沒有定論,但反應(yīng)路線都可以假設(shè)如圖4所示。

        圖4 木糖反應(yīng)路線

        圖4的反應(yīng)路線中X代表木糖,I代表中間產(chǎn)物,F(xiàn)代表糠醛,D代表降解產(chǎn)物,P代表縮合產(chǎn)物。由反應(yīng)路線,可得如式(1)~式(3)的反應(yīng)速率方程。

        式中,CX表示反應(yīng)過程中木糖的濃度,g/L;CI表示中間產(chǎn)物的濃度,g/L;CF表示反應(yīng)過程中糠醛的濃度,g/L;k1表示木糖降解速率常數(shù),min-1;k1′為中間產(chǎn)物生成糠醛的反應(yīng)速率常數(shù),min-1;k2表示糠醛降解速率常數(shù) ,min-1;k3′表示中間產(chǎn)物和糠醛的縮合反應(yīng)速率常數(shù),L/(g·min);t為反應(yīng)時(shí)間,min。

        為了驗(yàn)證反應(yīng)路線是否正確,進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn):在保持木糖初始濃度20g/L,反應(yīng)溫度463.15K恒定的條件下,考察了糠醛初始濃度(0、4g/L、8g/L)變化對木糖降解速率和糠醛收率的影響。不同條件下木糖降解速率常數(shù)擬合結(jié)果如表1所示,糠醛收率隨時(shí)間變化結(jié)果如圖5所示。

        從表1中可以看出,反應(yīng)過程中糠醛初始濃度的變化對木糖降解速率沒有太大影響,因此可以認(rèn) 為反應(yīng)過程中木糖和糠醛之間沒有直接的反應(yīng)。通過2.1節(jié)和2.2節(jié)對木糖和糠醛降解動(dòng)力學(xué)的研究可知,反應(yīng)過程中糠醛降解速率遠(yuǎn)小于木糖降解速率,因此可認(rèn)為反應(yīng)過程中糠醛降解對糠醛收率影響不大。而從圖5中可以看出,糠醛初始濃度變化對反應(yīng)過程中糠醛收率影響比較明顯,糠醛初始濃度越高,木糖反應(yīng)生成糠醛的收率越低。因此Dunlop假設(shè)木糖反應(yīng)生成糠醛過程中有中間體存在,且糠醛與中間體發(fā)生縮合反應(yīng)是合理的。

        表1 不同糠醛初始濃度時(shí)木糖降解速率常數(shù)k1擬合 結(jié)果

        圖5 不同糠醛初始濃度時(shí)糠醛收率隨反應(yīng)時(shí)間變化關(guān)系

        盡管通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了中間產(chǎn)物的存在,但是到目前為止還無法用現(xiàn)有的檢測方法檢測出來,因此可認(rèn)為中間產(chǎn)物是瞬間存在的,利用穩(wěn)態(tài)近似原理即假設(shè)中間產(chǎn)物隨時(shí)間變化率為零,對式(3)求解可以得到式(4)。

        反應(yīng)過程中生成大量糠醛,而中間體卻檢測不到,那么假設(shè)式(5)成立。

        即式(4)可以化為式(6)。

        將式(6)帶入式(2)中可得式(7)。

        式(1)和式(8)給出了應(yīng)用Dunlop模型建立的糠醛生成動(dòng)力學(xué)方程。以上微分方程組模型的求解和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的擬合由Matlab軟件進(jìn)行,得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表2所示。表觀活化能數(shù)據(jù)(表3)通過阿倫尼烏斯曲線(圖6)求得。

        以木糖為原料生產(chǎn)糠醛的過程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的反應(yīng)過程,從活化能角度來看,木糖降解活化能大于糠醛降解和糠醛縮合的活化能,這說明高溫有利于木糖脫水生成糠醛的反應(yīng)。而從表2中可以看出,隨著溫度的升高,k1/k2、k1/k3和k1/(k2+k3)都變大,這同樣說明高溫條件下更有利于糠醛的生成。然而,溫度過高副反應(yīng)速率也大大提高,且隨著時(shí)間的進(jìn)行副反應(yīng)一直發(fā)生,因此總體來看較高的溫度和較短的反應(yīng)時(shí)間有利于糠醛收率的提高。由圖2可知,在反應(yīng)溫度483.15K、60min條件下,最大糠醛收率可達(dá)78%。

        3 結(jié) 論

        (1)本文測定了溫度在443.15~483.15K時(shí)0.1mol/L氯化鐵催化木糖脫水過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),建立并驗(yàn)證了試驗(yàn)范圍內(nèi)木糖脫水過程的動(dòng)力學(xué)模型。

        (2)試驗(yàn)范圍內(nèi)木糖降解反應(yīng)、糠醛降解反應(yīng)和縮合反應(yīng)的表觀活化能分別為107.94kJ/mol、 65.86kJ/mol和26.36kJ/mol。

        表2 不同反應(yīng)溫度下各速率常數(shù)擬合結(jié)果

        表3 木糖降解過程活化能數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

        圖6 木糖降解過程活化能的擬合

        (3)較高的溫溫度和較短的反應(yīng)時(shí)間有利于糠醛收率的提高。在反應(yīng)溫度483.15K、60min條件下,最大糠醛收率可達(dá)78%。

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