一種碳水化合物的降解方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種碳水化合物的降解方法，該方法包括以高溫液態(tài)水為介質(zhì)，以酸性氣體SO2為催化劑來降解碳水化合物的步驟。該方法工藝簡單，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性高，重要的是用SO2替代工業(yè)中的硫酸做催化劑，不僅腐蝕性小，減小設(shè)備腐蝕問題，而且用水蒸氣汽提可使SO2重復(fù)利用，大大簡化了反應(yīng)后的酸處理過程，在降低成本的同時又不污染環(huán)境。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于生物質(zhì)能源催化降解領(lǐng)域，具體涉及。
技術(shù)介紹
近幾年來，自然界中分布最廣泛的纖維素、半纖維素及淀粉等碳水化合物轉(zhuǎn)化為糖及燃料化學(xué)品的研究已引起國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的碳水化合物的轉(zhuǎn)化方法是在生物酶或無機(jī)強(qiáng)酸水溶液中進(jìn)行，這樣的轉(zhuǎn)化方法存在許多不利的因素，例如，酶催化轉(zhuǎn)化過程中存在纖維素酶催化活性低、重復(fù)利用率差，且轉(zhuǎn)化效率低，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高的問題；無機(jī)強(qiáng)酸水解法催化活性雖然較高，但是強(qiáng)酸的腐蝕性強(qiáng)，對設(shè)備要求高，而且產(chǎn)物極易發(fā)生二次水解，反應(yīng)不易控制，而且更重要的是強(qiáng)酸催化反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)生大量的廢酸水溶液，導(dǎo)致后處理過程復(fù)雜，環(huán)境污染嚴(yán)重。針對這一問題，近幾年來一些新型的、高效的、對環(huán)境友好的反應(yīng)介質(zhì)日益受到關(guān)注，例如離子液體、高溫液態(tài)水等環(huán)境友好介質(zhì)。很多文獻(xiàn)已經(jīng)報道離子液體作為新型環(huán)境友好介質(zhì)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如溶解能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可調(diào)、熱穩(wěn)定性好等，但是，在碳水化合物轉(zhuǎn)化過程中，離子液體與產(chǎn)物的分離比較困難，很難得到純的化學(xué)品，而且離子液體的價格昂貴，若不能重復(fù)利用，生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重制約著碳水化合物轉(zhuǎn)化的工業(yè)化發(fā)展。高溫液態(tài)水是指溫度在180-350°C范圍的壓縮液態(tài)水，其自身能夠電離出H，起到酸催化的效果，反應(yīng)結(jié)束后溫度降低，H+還原成水，所以在整個反應(yīng)過程中保持綠色無污染，但是，高溫液態(tài)水的酸性較弱，而碳水化合物的轉(zhuǎn)化需要在較強(qiáng)的酸性環(huán)境中進(jìn)行，所以催化劑的選擇是碳水化合物在高溫液態(tài)水中高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。負(fù)載型固體酸或超強(qiáng)固體酸與介質(zhì)分離簡單、且無毒無污染，在很多反應(yīng)中表現(xiàn)出突出的優(yōu)點(diǎn)，但是這些催化劑在高溫液態(tài)水中轉(zhuǎn)化碳水化合物時存在很多局限性。一方面因為纖維素、半纖維素、淀粉等不溶于水，在水溶液中與固體催化劑是以固體形式存在，催化劑的活性中心與反應(yīng)物接觸不充分，導(dǎo)致催化活性較低；另一方面，這類催化劑在水溶液中失活比較快，失活原因主要包括反應(yīng)過程中分子吸附在催化劑表面，使催化劑活性中心堵塞、負(fù)載的酸活性位SO/—等在水溶液中易流失，導(dǎo)致催化劑失活。由于上述原因，目前碳水化合物的轉(zhuǎn)化在工業(yè)上仍然采用強(qiáng)酸水解法和酶發(fā)酵法。碳水化合物的強(qiáng)酸水解一般是在180-240°C的高溫水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)介質(zhì)是高溫液態(tài)水，屬于環(huán)境友好介質(zhì)。因此，若能開發(fā)一種在高溫液態(tài)水中高效催化碳水化合物，并容 易與產(chǎn)物分離，從而可以重復(fù)利用的催化劑來代替硫酸，將有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服上述缺陷，本專利技術(shù)提供一種以高溫液態(tài)水為介質(zhì)，以酸性氣體SO2為催化劑來降解碳水化合物的方法。該方法大大減小了以往采用強(qiáng)酸對設(shè)備造成的腐蝕性，降低了反應(yīng)對設(shè)備的要求；在高溫液態(tài)水中對碳水化合物的轉(zhuǎn)化效率高；且反應(yīng)過程比在強(qiáng)酸溶液中易控制，產(chǎn)物的選擇性強(qiáng)。本專利技術(shù)的上述目的是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。，該方法包括以高溫液態(tài)水為介質(zhì)，以酸性氣體SO2為催化劑來降解碳水化合物的步驟。上述降解方法中，所述碳水化合物為纖維素、半纖維素、多糖、二糖和單糖中的一種或多種，優(yōu)選為微晶纖維素、濾紙、木聚糖、淀粉、菊糖、蔗糖、纖維二糖、葡萄糖和果糖中的一種或多種。上述降解方法中，所述碳水化合物的含量為所述高溫液態(tài)水重量的2. 50%-6. 67%,所述SO2的含量是所述高溫液態(tài)水重量的0-10. 00%。上述降解方法中，反應(yīng)溫度為180-220°c ;反應(yīng)時間為5-45min?！ど鲜鼋到夥椒ㄟ€包括采用水蒸氣汽提法回收SO2,并將回收的SO2作為催化劑來降解碳水化合物的步驟。其中，所述水蒸氣汽提法回收SO2所使用的水蒸氣的溫度為100-140°C。其中，所述水蒸氣汽提法回收SO2的時間為5_25min。上述降解方法還包括先將所述碳水化合物在90_120°C下干燥12_24h，然后再進(jìn)行降解。上述降解方法包括如下步驟 (1)將碳水化合物在90-120°C下干燥12-24h； (2)以酸性氣體SO2為催化劑，使步驟(I)干燥后的碳水化合物在高溫液態(tài)水中進(jìn)行降解反應(yīng)； (3)反應(yīng)結(jié)束后，以水蒸氣汽提法回收S02，并將回收的SO2作為催化劑來降解碳水化合物。以下將對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。本專利技術(shù)提供以氣體酸SO2為催化劑，在高溫液態(tài)水介質(zhì)中使碳水化合物高效轉(zhuǎn)化的方法中所使用的原料為自然界中分布廣泛的碳水化合物，主要包括纖維素、半纖維素、多糖、二糖和單糖，具體為微晶纖維素、濾紙、木聚糖、淀粉、蔗糖、纖維二糖、葡萄糖和果糖；本專利技術(shù)涉及的反應(yīng)過程是在高溫高壓釜內(nèi)間歇進(jìn)行的，碳水化合物的含量是水溶液重量的2.50%-6. 67%，SO2的含量是水溶液重量的0-10. 00% ;碳水化合物在高溫液態(tài)水中的反應(yīng)溫度為180-220°C，反應(yīng)時間為5-45min ;反應(yīng)結(jié)束后用水蒸氣汽提法回收SO2時所用的水蒸氣溫度為100-140°C，時間為5-25min。在一個具體的實施方案中，本專利技術(shù)的降解方法包括 (1)將反應(yīng)物碳水化合物置于鼓風(fēng)干燥箱中，在90-120°C條件下干燥12-24h； (2)將上述干燥過的O.50g碳水化合物和15ml去離子水加入到25ml的高溫高壓反應(yīng)釜中，充入氮?dú)庵罯. 25MPa后排出，重復(fù)3次，以置換掉釜內(nèi)的空氣，然后加入SO2,開始反應(yīng)； (3)反應(yīng)結(jié)束后，用冷水快速終止反應(yīng)；等反應(yīng)釜冷卻后，打開反應(yīng)釜兩端的閥門，用水蒸氣吹掃釜內(nèi)溶液，將SO2W水溶液中吹出，并在出口端收集；得到的含水分的SO2可直接用于下次反應(yīng)；得到的混合物的水溶液待處理。本專利技術(shù)轉(zhuǎn)化率的計算方法如下將得到的混合水溶液取出，用去離子水洗滌反應(yīng)釜，收集并過濾，然后將濾液定容，分別得到含水溶性物質(zhì)的混合溶液和不溶于水的固體殘渣；將得到的水溶液用高效液相色譜分析，計算水溶性反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物的收率；將得到的固體殘渣在60-110°C下真空干燥3-12h，稱重，計算水不溶性碳水化合物的轉(zhuǎn)化率。本專利技術(shù)以氣體酸SO2為催化劑，在高溫液態(tài)水介質(zhì)中使碳水化合物高效轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物分離簡單，催化劑重復(fù)利用，從而避免環(huán)境污染，降低生產(chǎn)成本的綠色工藝路線，從可持續(xù)發(fā)展的角度，解決了碳水化合物降解的工業(yè)化問題。SO2為催化劑在高溫液態(tài)水中催化降解碳水化合物效率高、選擇性好的原理是液態(tài)水在高溫下能夠電離出H+，起到一定酸催化的效果；S02易溶于水，溶于水后形成亞硫酸，亞硫酸屬于中強(qiáng)酸，能夠滿足碳水化合物降解的酸性要求，但還不至于像強(qiáng)酸那樣使反應(yīng)過程難以控制，促使得到的產(chǎn)物進(jìn)行二次水解。因此，可以通過控制SO2在水溶液中的含量， 使碳水化合物在較短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。本專利技術(shù)利用水蒸氣汽提法將SO2從產(chǎn)物溶液中分離出來的原理是一方面水蒸氣使水溶液的溫度升高，降低SO2在水溶液中的溶解度；另一方面，水蒸氣源源不斷地將氣相中的SO2帶走，破壞SO2的氣液相平衡，從而使液相中的SO2快速從液相溶液中逸出，收集后達(dá)到SO2重復(fù)利用的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)至少具備以下有益效果 本專利技術(shù)為碳水化合物，尤其是纖維素、半纖維素等生物質(zhì)提供一種工藝簡單、生產(chǎn)成本低、轉(zhuǎn)化效率高、選擇性好、對環(huán)境友好的碳水化合物工業(yè)轉(zhuǎn)化路線。與傳統(tǒng)的酸水解法相比，本專利技術(shù)采用SO2為催化劑，SO2雖然是大氣的主要污染物之一，并且具有一定的毒性和腐蝕性，但是其易液化，易溶于水形成亞硫酸，與強(qiáng)酸相比大大減本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種碳水化合物的降解方法，該方法包括以高溫液態(tài)水為介質(zhì)，以酸性氣體SO2為催化劑來降解碳水化合物的步驟。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種碳水化合物的降解方法，該方法包括以高溫液態(tài)水為介質(zhì)，以酸性氣體302為催化劑來降解碳水化合物的步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述碳水化合物為纖維素、半纖維素、多糖、二糖和單糖中的一種或多種，優(yōu)選為微晶纖維素、濾紙、木聚糖、淀粉、菊糖、蔗糖、纖維二糖、葡萄糖和果糖中的一種或多種。3.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的方法，其特征在于，所述碳水化合物的含量為所述高溫液態(tài)水重量的2. 50%-6. 67%，所述SO2的含量是所述高溫液態(tài)水重量的0-10. 00%。4.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述降解方法的反應(yīng)溫度為180-220°C ;反應(yīng)時間為 5-45min。5.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括采用水蒸氣汽提法回收SO2,并將回收的SO...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳衛(wèi)澤，劉維娜，
申請(專利權(quán))人：北京化工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：