CN102731254B - 一种以玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料制备乙二醇的方法 - Google Patents

一种以玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料制备乙二醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种以玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料制备乙二醇的方法。该过程以玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料，经过水蒸汽爆破处理后，用强碱性水溶液浸泡处理，再经双氧水浸泡处理，然后经过清水漂洗，得到的纤维素原料置于催化加氢反应条件下制备乙二醇。催化反应中以钴、镍、钌、铑、钯、铱、铂的金属或金属氧化钨与含钨的化合物或钨单质为催化剂，在温度≥150℃，氢气压力0.1-15MPa的水热条件下经过一步催化转化过程，实现高收率制备乙二醇。本发明所提供的针对生物质原料玉米秸秆和/或高粱秸秆的转化过程，具有预处理方法简便易行，催化转化制备乙二醇产品收率高的显著优点。

Description

一种以玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料制备乙二醇的方法
技术领域
本发明涉及一种制备乙二醇的方法，具体地说是由玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料制备乙二醇的方法。
背景技术
乙二醇是重要的大宗基础化学品，2010年全世界的乙二醇产量达到2000万吨以上，其中，80％用于PET树脂合成，12％用于防冻液合成，大约8％用于其他化学中间体。乙二醇的现有工业生产路线主要是依赖于石油乙烯资源。利用可再生的生物质资源合成乙二醇技术是实现化石能源资源替代的重要途径之一【文献1：Process for thepreparation of lower polyhydric alcohols，patent，No.US5107018.文献2：Preparation of lower polyhydric alcohols，patent，No.US5210335.文献3：一种生产乙二醇的新工艺，CN200610068869.5.文献4：一种由山梨醇裂解生产二元醇和多元醇的方法，CN200510008652.0】。
2008年，大连化物所的科研人员首次研究发现，纤维素可以直接被催化转化高选择性地获得乙二醇【文献5：Direct catalyticconversion of cellulose into ethylene glycol usingnickel-promoted tungsten carbide catalysts，Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，8510-8513。文献6：transition metal-tungstenbimetallic catalysts for the conversion of cellulose intoethylene glycol，ChemSusChem 2010，3，63-66。文献7：A new 3Dmesoporous carbon replicated from commercial silica as acatalyst support for direct conversion of cellulose intoethylene glycol，Chem.Commun.，2010，46，862-864.】。研究中采用了纯净的微晶纤维素，乙二醇的收率达到60-75％。然而，自然界中的纤维素总是存在于植物体中，与半纤维素、木质素等复杂组成交织缠绕在一起。因此，利用全生物质纤维素直接转化制乙二醇，会在不同程度上受到这些组分的影响。研究发现，以玉米秸秆为原料进行催化转化时，乙二醇的收率与原料的预处理过程有很大的关系【文献8：Catalytic Hydrogenation of Corn Stalk to Ethylene Glycoland 1，2-Propylene Glycol，Ind.Eng.Chem.Res.2011，50，6601-6608】。由于不同的植物原料所具有的组织结构和成分构成各有不同，因此，需要针对性地发展全生物质纤维素原料预处理方法和催化反应过程，以获得最佳的乙二醇收率。
玉米秸秆和/或高粱秸秆中含有丰富的半纤维素、纤维素和一定量的木质素。所含有的半纤维素可以经过一定的方法提取出来用于生物发酵、催化转化等过程生产丁醇、糠醛、低聚木糖、木糖醇等化学品和保健品。而剩余的富含纤维素的原料，则可以用来催化转化生产乙二醇。因而，发展简便高效的玉米秸秆和/或高粱秸秆基纤维素制备乙二醇具有重要的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种由玉米秸秆和/或高粱秸秆催化转化制乙二醇的方法。
玉米秸秆和/或高粱秸秆原料经过水蒸汽爆破处理后，用强碱性水溶液浸泡处理，再经双氧水浸泡处理，然后经过清水漂洗至中性，置于催化加氢反应条件下制备乙二醇。
玉米秸秆和/或高粱秸秆水蒸汽爆破处理过程为将玉米秸秆和/或高粱秸秆置于高压釜中，向高压釜中通入高温高压水蒸汽，压力为0.5-2.0MPa，压力保持时间为0.5-20min，温度为160-220℃，然后骤然释放高压釜的压力至常压。
玉米秸秆和/或高粱秸秆的含水量在25-60％，于蒸汽爆破反应釜的装料量为5-60％v/v，骤然释放高压釜的压力是指0.001秒至5秒钟之内使高压釜内压力降至常压。
强碱性水溶液为质量浓度0.1-15wt％的碱金属氢氧化物水溶液；玉米秸秆和/或高粱秸秆与碱溶液的质量比为1∶1-1∶50；常温(0-30℃)-80℃下浸泡30min-48h。
较好：强碱性水溶液中含有质量浓度0.3-5wt％的碱金属氢氧化物，原料与碱溶液的质量比为1∶10，强碱性物质为氢氧化钠；20-50℃下浸泡1-24h。
双氧水溶液为质量浓度0.5-15wt％的过氧化氢水溶液；玉米秸秆和/或高粱秸秆与双氧水溶液的质量比为1∶1-1∶50；常温(0-30℃)-80℃下浸泡30min-48h。
较好：双氧水溶液中含有质量浓度1-5wt％的过氧化氢，原料与双氧水溶液的质量比为1∶10，20-50℃下浸泡1-24h。
催化加氢反应过程在密闭高压容器中搅拌条件下进行，反应温度≥150℃，反应过程中氢气压力0.1-15MPa，反应物在水溶液中的质量含量为1-30wt％，反应时间不少于5min，所用的催化剂中含有具有催化加氢功能的活性组分A和具有催化纤维素降解功能的含钨活性组分B，用量为催化剂量；在使用过程中，催化剂A的金属活性成分与催化剂B的活性成分(以金属钨重量计)重量比在0.02-3000倍范围之间。
所用的催化剂中含有具有催化加氢功能的活性组分A和具有催化纤维素降解功能的含钨活性组分B；活性组分A包括钴、镍、钌、铑、钯、铱、铂中的一种或两种以上的金属或金属氧化物；含钨的活性组分B包括钨单质和钨的各种化合物，具体地讲包括金属钨、钨的碳化钨、氮化钨、磷化钨、钨的氧化物、钨的硫化物、钨的氯化物、钨的氢氧化物、钨青铜、钨酸、钨酸盐、偏钨酸、偏钨酸盐、仲钨酸、仲钨酸盐、过氧钨酸、过氧钨酸盐、钨杂多酸中的一种或两种以上。
所述催化剂活性组分A与活性组分B可以共同担载在多孔载体上，也可以各自单独地担载在多孔载体上构成复合催化剂，所述载体为活性炭、氧化铝、氧化硅、碳化硅、氧化锆、氧化锌、二氧化钛一种或二种以上的复合载体；活性组分金属于催化剂上的含量在0.05-60wt％；
或者，所述催化剂活性组分A也可以以非负载形式单独存在；或者，所述催化剂活性组分B也可以以非负载形式单独存在；
在使用过程中，催化剂A的金属活性成分与催化剂B的活性成分(以金属钨重量计)重量比在0.1-10倍范围之间。
反应温度范围在150-350℃，优选的反应温度为220-280℃，反应过程中优选氢气的压力3-10MPa，优选反应时间为30min-3h，反应原料与催化剂(以活性金属质量计)的质量比为1∶1-30000∶1。反应原料与催化剂的质量比优选范围为3∶1-3000∶1，更优选的范围为4∶1-1000∶1。
催化加氢反应器采用密闭高压容器，包括间歇式反应釜式反应器、半间歇式反应釜式反应器、浆态床式反应器、循环流化床式反应器。
本发明有益的效果
以玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料，经过简便易行的预处理方式结合催化反应过程，实现了玉米秸秆和/或高粱秸秆基木质纤维素原料高收率地转化为乙二醇。
具体实施方式
实施例1
取玉米秸秆粉末(20-40目)10kg，加水使其含水量为30wt％，置于蒸汽爆破反应器中160℃，(压力1.0MPa)恒压60秒钟，然后进行蒸汽爆破操作。对得到的8kg固体剩余物(干重)，向其加入50kg浓度1wt％的NaOH水溶液，室温25℃下浸泡12h，滤出后向其中加入50kg浓度为1wt％的双氧水，室温下浸泡12h，然后清水漂洗至中性，得到5kg(干重)纤维素原料。
实施例2
取高粱秸秆粉末(10-20目)10kg，加水使其含水量为45wt％，置于蒸汽爆破反应器中180℃(压力1.2MPa)恒压30秒钟，然后进行蒸汽爆破操作。对得到的7.5kg固体剩余物(干重)，向其加入15kg浓度5wt％的NaOH水溶液，室温20℃下浸泡6h，滤出后向其中加入5kg浓度为5wt％的双氧水，室温下浸泡12h，然后清水漂洗至中性，得到5.2kg(干重)纤维素原料。
实施例3
分别取5.0g按照实施例1、2处理好的纤维素样品，加入100ml水，0.1g钨酸，5％Ru/AC催化剂0.1g，于高压反应釜中250℃进行反应2h，反应前充入5Mpa氢气，搅拌速度500转/分钟。反应结束后，降至室温，泄压开釜并离心得到液体产品，产品用色谱质谱联用仪准确定性后，用液相色谱分析多元醇产品收率。
对比实施例1
取10kg玉米秸秆粉末(20-40目)，加水使其含水量为30wt％，置于蒸汽爆破反应器中160℃(压力1.0MPa)恒压60秒钟，然后进行蒸汽爆破操作，之后用清水漂洗至中性，得到8kg(干重)纤维素原料。
取5.0g处理好的纤维素样品，加入100ml水，0.1g钨酸，5％Ru/AC催化剂0.1g，与高压反应釜中250℃进行反应2h，反应前充入5Mpa氢气，搅拌速度500转/分钟。反应结束后，降至室温，泄压开釜并离心得到液体产品，液相色谱分析多元醇产品收率。
对比实施例2
取10kg玉米秸秆粉末(20-40目)，加水使其含水量为30wt％，置于蒸汽爆破反应器中160℃(压力1.0MPa)恒压60秒钟，然后进行蒸汽爆破操作，对得到的8kg固体剩余物(干重)，向其加入50kg浓度1wt％的NaOH水溶液，室温25℃下浸泡12h。之后用清水漂洗至中性，得到5.8kg(干重)纤维素原料。
取5.0g处理好的纤维素样品，加入100ml水，0.1g钨酸，5％Ru/AC催化剂0.1g，与高压反应釜中250℃进行反应2h，反应前充入5Mpa氢气，搅拌速度500转/分钟。反应结束后，降至室温，泄压开釜并离心得到液体产品，液相色谱分析多元醇产品收率。
对比实施例3
取10kg玉米秸秆粉末(20-40目)，加水使其含水量为30wt％，置于蒸汽爆破反应器中160℃(压力1.0MPa)恒压60秒钟，然后进行蒸汽爆破操作，对得到的8kg固体剩余物(干重)，向其中加入50kg浓度为1wt％的双氧水，室温下浸泡12h，然后清水漂洗至中性，得到6.5kg(干重)纤维素原料。
取5.0g处理好的纤维素样品，加入100ml水，0.1g钨酸，5％Ru/AC催化剂0.1g，与高压反应釜中250℃进行反应2h，反应前充入5Mpa氢气，搅拌速度500转/分钟。反应结束后，降至室温，泄压开釜并离心得到液体产品，液相色谱分析多元醇产品收率。
对比实施例4
取10kg玉米秸秆粉末(20-40目)，向其加入50kg浓度1wt％的NaOH水溶液，室温25℃下浸泡12h。滤出后向其中加入50kg浓度为1wt％的双氧水，室温下浸泡12h，然后清水漂洗至中性，得到6.0kg(干重)纤维素原料。
取5.0g处理好的纤维素样品，加入100ml水，0.1g钨酸，5％Ru/AC催化剂0.1g，与高压反应釜中250℃进行反应2h，反应前充入5Mpa氢气，搅拌速度500转/分钟。反应结束后，降至室温，泄压开釜并离心得到液体产品，液相色谱分析多元醇产品收率。
对比实施例5
取5.0g未经处理的玉米秸秆样品，加入100ml水，0.1g钨酸，5％Ru/AC催化剂0.1g，与高压反应釜中250℃进行反应2h，反应前充入5Mpa氢气，搅拌速度500转/分钟。反应结束后，降至室温，泄压开釜并离心得到液体产品，液相色谱分析多元醇产品收率。
实施例4
实施例3和对比实施例1、2、3、4条件下，玉米和高粱秸秆纤维素原料催化转化结果比较结果。如表一所示。
表一、各种条件处理的玉米和高粱秸秆催化转化制乙二醇的反应结果比较
从以上表格所列结果可以看到，对于玉米秸秆和高粱秸秆，采用蒸汽爆破结合碱处理和双氧水处理，所得到的纤维素生物质原料，能够高收率地催化转化为乙二醇，达到65％以上，而且反应原料能够完全转化。转化效果明显优于单纯的蒸汽爆破处理、或者蒸汽爆破结合单一的碱处理或双氧水处理所得原料的转化效果。同时，也显著优于未经任何预处理的玉米秸秆的催化转化效果。

Claims (9)

1.一种以玉米秸秆和/或高粱秸秆为原料制备乙二醇的方法，其特征在于：玉米秸秆和/或高粱秸秆原料经过水蒸汽爆破处理后，用强碱性水溶液浸泡处理，再经过稀双氧水浸泡处理，然后清水漂洗至中性，置于催化加氢反应条件下制备乙二醇；
催化加氢反应过程在密闭高压容器中搅拌条件下进行，反应温度≥150℃，反应过程中氢气压力0.1-15 MPa，反应物在水溶液中的质量含量为1-30wt%，反应时间不少于5 min，所用的催化剂中含有具有催化加氢功能的活性组分A和具有催化纤维素降解功能的含钨活性组分B，用量为催化剂量；在使用过程中，催化剂A的金属活性成分与催化剂B的活性成分重量比在0.02-3000倍范围之间，其中B活性成分的重量以金属钨重量计；
玉米秸秆和/或高粱秸秆水蒸汽爆破处理过程为将玉米秸秆和/或高粱秸秆置于高压釜中，向高压釜中通入高温高压水蒸汽，压力为0.5-2.0 MPa，压力保持时间为0.5-20 min，温度为160-220 ℃，然后骤然释放高压釜的压力至常压；
玉米秸秆和/或高粱秸秆的含水量在25-60%，于蒸汽爆破反应釜的装料量为5-60% v/v，骤然释放高压釜的压力是指0.001秒至5秒钟之内使高压釜内压力降至常压；
强碱性水溶液为质量浓度0.1-15wt%的碱金属氢氧化物水溶液；玉米秸秆和/或高粱秸秆与碱溶液的质量比为1:1-1:50；常温-80℃下浸泡30min-48h；
双氧水溶液为质量浓度0.5-15wt%的过氧化氢水溶液；玉米秸秆和/或高粱秸秆与双氧水溶液的质量比为1:1-1:50；常温-80℃下浸泡30 min-48 h。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：强碱性水溶液中含有质量浓度0.3-5wt%的碱金属氢氧化物，原料与碱溶液的质量比为1:10；20-50℃下浸泡1-24 h。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：强碱性物质为氢氧化钠。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：双氧水溶液中含有质量浓度1-5wt%的过氧化氢，原料与双氧水溶液的质量比为1:10，20-50℃下浸泡1-24 h。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所用的催化剂中含有具有催化加氢功能的活性组分A和具有催化纤维素降解功能的含钨活性组分B；活性组分A包括钴、镍、钌、铑、钯、铱、铂中的一种或两种以上的金属或金属氧化物；含钨的活性组分B包括钨单质和钨的各种化合物。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述钨单质和钨的各种化合物为金属钨、钨的碳化物、氮化钨、磷化钨、钨的氧化物、钨的硫化物、钨的氯化物、钨的氢氧化物、钨青铜、钨酸、钨酸盐、偏钨酸、偏钨酸盐、仲钨酸、仲钨酸盐、过氧钨酸、过氧钨酸盐、钨杂多酸中的一种或两种以上。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述催化剂活性组分A与活性组分B可以共同担载在多孔载体上，也可以各自单独地担载在多孔载体上构成复合催化剂，所述载体为活性炭、氧化铝、氧化硅、碳化硅、氧化锆、氧化锌、二氧化钛一种或二种以上的复合载体；活性组分金属于催化剂上的含量在0.05-60 wt%；
或者，所述催化剂活性组分A也可以以非负载形式单独存在；或者，所述催化剂活性组分B也可以以非负载形式单独存在；
在使用过程中，催化剂A的金属活性成分与催化剂B的活性成分重量比在0.1-10倍范围之间，其中B活性成分的重量以金属钨重量计。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：反应温度范围在150-350℃，反应过程中氢气的压力3-10 MPa，反应时间为30 min – 3 h，反应原料与催化剂的质量比为1:1－30000:1，其中催化剂的质量以活性金属重量计。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：反应原料与催化剂的质量比范围为3:1-3000:1，其中催化剂的质量以活性金属重量计。
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