氧化预处理对木质素超临界加氢解聚的影响研究

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木质素是生物质的三大组分之一,且是唯一可再生的芳香资源。然而,由于它复杂的网状结构和稳定的连接键,使得木质素难以被转化利用,造成了木质素资源的极大浪费。因此,木质素的高值化利用成为了近些年来的研究热点。在木质素众多的转化利用方式中,催化氢解具有定向解聚制备高附加值芳香族化合物的优点,通过采用溶剂供氢,可在无外在氢源的条件下实现木质素的断键降解。此外,理论研究表明通过将木质素β-O-4结构中的Cα-OH选择性氧化为Cα=O,可使C-O键断键的键能减少,使木质素更容易发生解聚,同时屏蔽活性位点抑制木质素降解过程中的缩合,然而预氧化在木质素解聚的实际应用中存在争议。针对以上问题,本文将木质素预氧化与Cu/Cu Mg Al Ox-超临界乙醇催化氢解相结合,研究了预氧化对不同种木质素的适用性,并将拟合得到的预氧化产率预测公式应用在纤维素航油残渣木质素上,实现了预氧化木质素高效解聚制备航油前驱体酚类化合物。首先,对比研究了桦木磨木木质素(MWL)和热水抽提桉木工业木质素(HEL)这两种性能差异较大的木质素预氧化后的结构演变,并在不同工况下完成了超临界乙醇催化氢解。结果表明,预氧化可使木质素中的Cα-OH转化Cα=O,但预氧化同时也导致了木质素β-O-4结构的降解和芳香环结构的缩合。预氧化后的HELO木质素在任何反应工况下产率均提升,其中HELO-15%在反应240 min时达到了总产率的最高值38.02 C%,高于文献报道的工业木质素催化氢解产率水平。预氧化后的MWLO木质素解聚产率提升效果则由氧化当量和氢解反应时间共同决定,MWLO-15%在反应120 min时达到了总产率的最高值54.91 C%。预氧化促进了木质素中C-O键的断键解聚也同时导致了β-O-4结构的降解,这两种转化趋势的竞争关系共同决定了预氧化木质素解聚产物的分布和产率变化。接着,选取了六种木质素,研究了不同工况对预氧化木质素解聚的影响规律并确立预氧化木质素产率预测评判公式。结果表明,氢解时间(A)、β-O-4键含量(B)、氢解温度(C)和氧化当量(D)会对预氧化木质素的解聚产率及产物分布产生影响,采用响应面法的Box-Behnken中心组合实验可以拟合得到预氧化前后木质素解聚单体产率和总产率的经验公式,其中β-O-4键含量、氢解时间、氢解温度为木质素解聚产率的高度显著影响因素且基本为线性影响关系。根据拟合得到的预氧化对木质素超临界乙醇催化氢解总产率的评判公式η=-97.17804+0.13899A+0.2928B+0.37591C-10.77426D,可计算出预氧化后总产率的提升倍(?)率并筛选出最佳工况条件,对预氧化的实际应用提供指导。最后,根据纤维素航油残渣木质素的预氧化产率判别公式,计算筛选得到产率提升的最佳反应条件,并通过实验对实际产率和产物分布加以验证。结果表明,在氢解温度为280°C、氢解时间为180 min、氧化当量为7 wt%时预氧化后纤维素航油残渣木质素的解聚产率提升效果较为理想,总产率可由未氧化时的18.82 C%提升至29.02 C%,提升倍率达到1.54倍,其中可辨识单体产物主要由饱和环烷烃和酚类产物组成,可作为生物航油的前驱体使用。预氧化加深了纤维素航油残渣木质素的加氢断键解聚程度,并抑制了木质素降解过程中中间产物的缩合。
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