醇-水体系下木质素(催化)氧解制备高价值酚类化合物的研究

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木质素是地球上芳香结构唯一的可再生来源,是化石燃料最具潜力的替代品。木质素的液相氧化解聚可提供芳香醛、芳香酮等高价值单体芳香族化合物。本文以玉米秸秆木质素为原料,O2为氧化剂,探究了溶剂种类、醇水比、反应温度、反应时间、氧气压力对木质素在醇/水混合溶剂中的氧化解聚的影响,制备了一系列Ce基的复合金属氧化物催化剂并应用于木质素的氧化解聚,为木质素的高值化利用奠定了实验与理论基础。采用正交试验的方法探讨了溶剂种类、醇水比、反应温度、反应时间及氧气压力对木质素无催化条件下的氧化解聚的影响。无催化条件下木质素于醇水混合溶剂中的氧化解聚所得到的产物有芳香醛、芳香酮、芳香酸及一些二聚体、低聚体。其中主要的单体产物有七种:羟基苯甲醛、香草醛、香草乙酮、香草酸甲酯、香草酸、丁香醛、乙酰丁香酮。以液相产物产率及各个单酚产物绝对峰面积分别为试验指标,反应温度对木质素的氧化解聚影响最大,溶剂、醇水比及反应时间的影响次之,氧气压力对木质素氧化解聚的影响最小。乙醇/水为溶剂,醇水比为1:1,反应温度180℃,反应时间120min,氧气压力为0.6MPa时为最佳工艺条件,该条件下木质素解聚所得液相产物产物为61%。傅里叶红外光谱分析表明玉米秸秆木质素氧化降解所得产物的特征结构基团与玉米秸秆木质素相差不大,而氧化残渣的化学结构发生了较大的改变,为降解不完全的木质素。在木质素的氧化解聚过程中,发生了芳香环上的脱甲氧基反应,且苯环结构发生了破坏。采用溶胶凝胶法制备了稀土金属Ce与过渡金属Co、Fe、Ni、Ce的复合金属氧化物,并将其应用于木质素的液相氧化解聚。木质素在CeCoOδ复合氧化物催化下液相氧化解聚时,最优条件为:木质素0.2g,催化剂0.02g,乙醇/水(v:v=1:1),O2为氧化剂(0.6MPa),反应温度210℃,反应时间30min,此时木质素解聚的液相产物产率为61%,解聚所得香草醛产率为4.39%,丁香醛产率为2.81%。四种Ce基复合金属氧化物中,CeCoOδ的催化效果最好,CeCoOδ中Co物种存在氧化还原过程Co3+→Co2+→Co3+,这可能是其催化效果较好的原因。另一方面,Co进入CeO2骨架中形成复合氧化物时,对CeO2骨架的氧化还原能力的提升有促进作用。使用稀土金属La及过渡金属Cu、Ni分别对CeCoOδ复合氧化物进行改性。La掺杂使样品的晶粒尺寸逐渐减小,且有利于Co2+物种的生成,而CeO2相的氧化还原能力有所降低。当La掺杂量x=0.1时,香草醛和丁香醛的产率达到最高,分别为5.15%、3.3%。Cu的掺杂削弱了Co物种与CeO2的相互作用,使Co物种的还原能力减弱,同时抑制了Co3+、Co2+物种的形成。Cu的掺杂同样抑制了CeO2骨架的氧化还原能力。香草醛和丁香醛的产率随着Cu掺杂量的提升而降低。Ni的掺杂极大提升了复合氧化物的氧化还原性能,香草醛和丁香醛的产率随着Ni掺杂量的提升而降低。
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