固体酸催化纤维素水解过程中的传热和传质特性研究

The method of cellulose hydrolysis catalyzed by solid acid has many advantages, such as the recycling catalyst, mild reaction conditions and high hydrolysis efficiency. But there are still some scientific problems need to be resolved, two most important of which are:①the broken mechanism of glycoside bonds catalyzed by solid acid;②the stability mechanism of solid acid and the characterics of heat and mass transfer during the hydrolysis reaction. In this project, the solid acid catalyst obtained from modified biomass is used to hydrolyze cellulose(cellobiose, microcrystalline cellulose, filter paper). The effects of catalyst characterics(pore structure, surface properties, acid strength) on the stability and catalytic activity in the hot water environment are investigated and the optimal catalyst designing is obtained. The mechanism of glycoside bonds hydrolysis and the kinetic model are obtained by analysing the distribution of products and investigating the heat and mass transfer characterics among solid acid, cellulose, products and liquid phase. Based on the research of this project, reaction pathways of cellulose hydrolysis catalyzed by solid acid can be described in detail and the method of enhanced heat and mass transfer can be obtained. The study can provide scientific basis and experiences for the transition from theoretical research, including catalyst designing and techniqual process to pratical application.

固体酸催化纤维素水解法具有催化剂可回收、反应条件温和、水解效率高等优点，但该方法还存在一些科学问题需要解决。针对固体酸水相中催化纤维素水解反应的两个关键科学问题：（1）固体酸催化糖苷键断裂的作用机制；（2）固体酸的水热稳定机理及反应过程中的传热和传质特性，本项目对生物质原料进行改性，制备固体酸催化剂，开展固体酸催化纤维素（纤维二糖、微晶纤维素、定量滤纸）水解实验研究，考察固体酸自身特性（孔结构、表面性质、酸强度等）对纤维素水解及其在水热环境中稳定性和催化活性的影响，指导催化剂改进优化，揭示固体酸与糖苷键之间的作用机制；通过对催化水解过程中产物分布的分析，考察固体酸、纤维素、产物以及液相主体间的传热和传质特性，建立宏观反应动力学模型，对反应历程进行详尽地阐述，获得增强传热、传质的技术方法，为后续理论研究向实际应用转化过程中催化剂设计、工艺方法建立等难题的解决提供科学依据和实践参考。

固体酸催化纤维素水解具有催化剂可回收、反应条件温和、水解效率高等优点，对于预处理环节可以有效的减低的能耗、化学试剂的添加以及废水处理的难度，对提高木质纤维素燃料乙醇的经济性有显著意义。本项目以解决碳基固体酸催化剂制备机制和提高木质纤维素的水解率为目标，以木质纤维素及其衍生物为碳基原材料，通过碳化和磺化步骤制备碳基固体酸催化剂，较系统的开展了从模型化合物到真实木质纤维素材料的实验研究，建立了碳基固体酸催化剂的制备机制和催化木质纤维素水解的技术方法，使得玉米芯中半纤维素水解率达到100%；在实验研究的基础上，探讨了固体酸催化剂与糖苷键的作用机制以及酸质子在木质纤维素颗粒内部的分散规律。为了强化反应过程中的传质效率，开发了离子液体体系中催化水解技术，催化微晶纤维素水解的糖收率达到46.02%，接近文献报道的最高水平。在研究中发现，碳基固体酸催化剂的特性与水解残渣相仿而难以后续分离，开发了磁性碳基固体酸催化剂，在反应后通过外加磁场进行分离。本项目研究核壳结构和镶嵌结构的碳基固体酸催化剂，分别以玉米芯和玉米秸秆为原料进行催化水解，催化剂回收率90%以上，原料水解的还原糖收率达到60%以上。本项目在机理研究和技术方法建立方面取得了一定的突破，下一步研究将就机理进行深入探讨。本项目执行期间共发表标注论文9篇，其中SCI/EI论文6篇，申请发明专利1项，指导博士研究生1名，硕士研究生3名，完成计划书中的规定计划。