CN110078701A - 一种农林废弃物制备生物质基缩酮酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备生物质基甘油缩酮酯的方法,包括以下步骤:1)将粉碎的农林废弃物与低碳有机醇于反应器I中充分混合,加入酸催化剂进行催化降解;2)降解产物经常压蒸馏脱除多余低碳有机醇,回收的低碳有机醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入萃取剂进行萃取,萃取液经蒸馏回收的萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂下进行缩酮反应;3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。该工艺实现了将农林废弃物资源转化为生物质基甘油缩酮酯化学品,为农林废弃物资源的高值化利用提供了新方法。
Description
技术领域
本发明属于生物质资源转化利用技术领域,尤其涉及一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法。
背景技术
我国的农林废弃物资源数量巨大,来源广泛,合理开发利用农林废弃物具有十分重要的意义。农林废弃物资源的利用方式主要有肥料化、饲料化、材料化和能源化等。近年来,将农林废弃物资源转化为生物质基化学品受到关注,如制备:5-羟甲基糠醛(CN104987315A)、乙酰丙酸酯(CN107673968A)、乙酸(CN104846022A|)、乳酸(CN104673846A)、多元糖醇(CN102776244A)、木糖醇(CN101899479A)和糠醛(CN101130530)等。
甘油是一种重要的生物质资源,可以由生物柴油副产物粗甘油精制获得。利用甘油缩酮反应可以制备甘油缩酮酯类化学品,它们可用于柴油添加剂、增塑剂、润滑剂等多种工业领域。如:专利(CN103819447A)报道了甘油和酮进行缩合反应,并与有机酸进行酯化得到了一种甘油缩酮酯;专利(102477029A)报道了利用甘油与醛或酮进行缩合反应,得到了甘油缩醛或缩酮。甘油缩酮酯的制备通常采用甘油与纯有机化学品合成获得,如果能利用农林废弃物制备缩酮酯化学品,不仅有利于降低生产成本,也为农林废弃物的高值化利用也提供了新途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,该方法可以利用农林废弃物为原料制备甘油缩酮酯。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,包括如下步骤:1)将粉碎的农林废弃物与低碳有机醇于反应器I中充分混合,加入酸催化剂进行催化降解;2)降解产物经常压蒸馏脱除多余低碳有机醇,回收的低碳有机醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入萃取剂进行萃取,萃取液经蒸馏回收的萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂下进行缩酮反应;3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
所述低碳有机醇为无水甲醇或无水乙醇。如果体系含有水,则中间产物的产率会降低,间接影响终产物的产率,因此需要用无水甲醇或无水乙醇。
农林废弃物:低碳有机醇的质量比例为1:7~13。
步骤1)中,催化降解反应的酸催化剂为硫酸铁与硫酸铝的混合物,硫酸铁与硫酸铝的质量比范围为1:1~19:1,反应体系中酸催化剂质量浓度为5~15%。
步骤1)中,催化降解反应温度为170~200 ℃,反应时间1~5 h。
步骤2)中,加入的萃取剂为甲苯、四氢呋喃、正己烷、甲级异丁基酮和乙酸乙酯中任意一种。
缩酮反应中加入甘油的质量为农林废弃物质量的10~30%。
步骤2)中,缩酮反应的酸催化剂为MCM-41、HUSY、HY、β、ZSM-5等分子筛,分子筛在缩酮反应体系的浓度为0.1~0.5%。
步骤2)中,缩酮反应的温度为80~130 ℃,反应的时间1 ~5 h。
步骤1)中,所述农林废弃物为玉米秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆、稻草秸秆、棉花秸秆、松木、杨木、柳木、泡桐中任一种或两种以上的组合,农林废弃物粉碎至20~80目。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明以农林废弃物为主要原料制备甘油缩酮酯,原料来源广泛,数量大,易获得,避免使用传统的石化基化学品原料,为农林废弃的综合利用提供了新途径,有效降低了甘油缩酮酯合成的原料成本。
本发明采用无水低碳有机醇(甲醇或乙醇)进行农林废弃物降解,操作过程简单,过程无废水,多余的低碳有机醇可以回收循环利用,对环境影响少。同时通过有机溶剂萃取,能有效提高降解产物中乙酰丙酸酯等酯类的浓度,提高缩酮反应的选择性,且萃取剂可回收再利用。
本发明在步骤1)中,选择硫酸铁和硫酸铝混合物为催化剂。该催化剂不仅价格低廉,而且是可以回收利用。同时本发明中,硫酸铁和硫酸铝复配具有协同效应,能够调整催化体系中Lewis酸和Brønsted酸的比例,有利于促进农林废弃物降解过程中的异构化反应和降解反应,进而有助于提高降解产物中乙酰丙酸酯的产率。
本发明在步骤2)中,选择分子筛作为催化剂。该类催化剂商品化程度高,可回收利用。同时分子筛的择形效应,能够有效提高甘油缩酮酯产物的产率。
本发明机理为:农林废弃物生物质中的纤维素组分,在低碳有机醇中发生醇解反应,生成的醇解产物主要为乙酰丙酸酯,乙酰丙酸酯经浓缩萃取后,进一步与甘油发生缩酮化反应,最终生成乙酰丙酸缩酮酯。
附图说明
图1是本发明工艺流程图;
图2 是甘油缩酮酯的GC-MS谱图;图中,上图为气相色谱峰图;下图为质谱图;
图3 是甘油缩酮酯的HNMR谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例,对本发明进一步说明。
实施例1
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至20目的小麦秸秆与500 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比5:1)作为催化剂,催化剂质量浓度为5%,密闭反应器加热至190℃下进行催化降解4 h后冷却至室温;
2)降解产物于65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入20 g甲苯萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与10g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛MCM-41下于110 ℃下进行缩酮反应1 h,MCM-41分子筛的浓度为0.1%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为75.5%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例2
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至40目的玉米秸秆与450 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比10:1)作为催化剂,催化剂浓度为7%,密闭反应器加热至180 ℃下进行催化降解5 h后冷却至室温;
2)降解产物于65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入20 g乙酸乙酯萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与5 g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛HUSY下于90 ℃下进行缩酮反应4 h,HUSY分子筛的浓度为0.25%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为74.0%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例3
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至60目的高粱秸秆与400 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比1:1)作为催化剂,催化剂浓度为7%,密闭反应器加热至190 ℃下进行催化降解3 h后冷却至室温;
2)降解产物于65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入20 g乙酸乙酯萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与15 g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛HY下于80 ℃下进行缩酮反应5 h,HY分子筛的质量浓度为0.3%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为73.0%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例4
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至40目的玉米秸秆与650 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比19:1)作为催化剂,催化剂浓度为10%,密闭反应器加热至170 ℃下进行催化降解5 h后冷却至室温;
2)降解产物65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入20 g乙酸乙酯萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与7.5 g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛β下于130 ℃下进行缩酮反应1 h,MCM-41分子筛的浓度为0.35%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为70.0%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例5
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至60目的高粱秸秆与350 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比15:1)作为催化剂,催化剂浓度为3%,密闭反应器加热至180 ℃下进行催化降解2 h后冷却至室温;
2)降解产物65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入20 g四氢呋喃萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与7.5 g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛β下于120 ℃下进行缩酮反应1 h,β分子筛的浓度为0.4%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为69.8%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例6
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至20目的松木粉与500 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比10:1)作为催化剂,催化剂浓度为15%,密闭反应器加热至180 ℃下进行催化降解4 h后冷却至室温;
2)降解产物65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入20 g环己烷萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与15 g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛ZSM-5下于120 ℃下进行缩酮反应3 h,ZSM-5分子筛的浓度为0.5%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为80.3%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例7
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至80目的柳木粉与500 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比3:1)作为催化剂,催化剂浓度为15%,密闭反应器加热至170 ℃下进行催化降解5 h后冷却至室温;
2)降解产物65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入20 g四氢呋喃萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与10 g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛β下于100 ℃下进行缩酮反应2 h,β分子筛的浓度为0.35%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为79.0%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例8
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,工艺流程图如图1所示,包括如下步骤:
1)将50 g 粉碎至20目的小麦秸秆与500 g无水甲醇于反应器I中充分混合,加入硫酸铁与硫酸铝混合物(质量比10:1)作为催化剂,催化剂浓度为5%,密闭反应器加热至190 ℃下进行催化降解4 h后冷却至室温;
2)降解产物65 ℃下经常压蒸馏脱除甲醇,回收的甲醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入甲苯萃取剂进行萃取,有机萃取相经合并、分离、旋蒸回收萃取剂,回收萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与5 g甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂分子筛MCM-41下于110 ℃下进行缩酮反应1 h,MCM-41分子筛的浓度为0.1%;
3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,摩尔产率为75.5%,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
实施例9
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,与实施例1不同之处在于,将无水甲醇替换为无水乙醇,并在步骤2)中采用78 ℃常压蒸馏脱醇乙醇。
实施例10
一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,与实施例2不同之处在于,将无水甲醇替换为无水乙醇,并在步骤2)中采用78 ℃常压蒸馏脱醇乙醇。
、结构测试与表征
为说明发明效果,本发明以实施例1为例对所得产物进行了GC-MS检测(如图2所示)及NMR检测(如图3所示)。从图2中的质谱图看到,质量最大的离子峰(m/z=204)正好是甘油缩酮酯的分子离子峰,而189处离子峰是甘油缩酮酯失去CH3后的离子片段峰,而173处的离子峰是甘油缩酮酯失去CH2OH后的离子峰,99处的离子峰为甘油缩酮酯失去CH3COO、CH2OH、CH3后的离子片段峰。
由图3可看出,化学位移在1.3-1.4之间的两个吸收峰的积分面积为3.04,且化学位移较小,可判断为5号碳所在的甲基中三个氢的吸收峰;而1号碳所在的甲基与氧连接,由于偶合作用,1号甲基的氢的化学位移要比5号甲基的氢的大,数目也是3左右。该谱图结合前面的分析结果,可以证实其结构为甘油缩酮酯。
、硫酸铁与硫酸铝混合物对乙酰丙酸酯生成的影响
改变实施例1中的硫酸铁与硫酸铝得混合比例,以玉米秸秆为例,制备乙酰丙酸酯,结果如表1所示。
表1. 硫酸铁与硫酸铝混合物对乙酰丙酸酯生成的影响
由表1可知,与分别添加硫酸铁与硫酸铝相比,添加硫酸铁与硫酸铝混合物可以显著提高乙酰丙酸酯的产率,当混合比例在1:1-19:1时,产率可以达到17.6%以上。
Claims (10)
1.一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,包括如下步骤:1)将粉碎的农林废弃物与低碳有机醇于反应器I中充分混合,加入酸催化剂进行催化降解;2)降解产物经常压蒸馏脱除多余的低碳有机醇,回收的低碳有机醇进入反应器I中循环利用,蒸馏后的浓缩液加入萃取剂进行萃取,萃取液经蒸馏回收的萃取剂进入萃取体系循环使用,萃取物进一步与甘油于反应器II中混合,并在酸催化剂下进行缩酮反应;3)反应后的缩酮反应液经减压蒸馏制得甘油缩酮酯,未反应完的反应物进入反应器II循环利用。
2.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,所述低碳有机醇为无水甲醇或无水乙醇。
3.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,农林废弃物:低碳有机醇的质量比例为1:7~13。
4.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,步骤1)中,催化降解反应的酸催化剂为硫酸铁与硫酸铝的混合物,硫酸铁与硫酸铝的质量比范围为1:1~19:1,反应体系中酸催化剂质量浓度为5~15%。
5.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,步骤1)中,催化降解反应温度为170~200 ℃,反应时间1 ~5 h。
6.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,步骤2)中,加入的萃取剂为甲苯、四氢呋喃、正己烷、甲级异丁基酮和乙酸乙酯中任意一种。
7.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,缩酮反应中加入甘油的质量为农林废弃物质量的10~30%。
8.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,步骤2)中,缩酮反应的酸催化剂为MCM-41、HUSY、HY、β、ZSM-5等分子筛,分子筛在缩酮反应体系的浓度为0.1~0.5%。
9.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,步骤2)中,缩酮反应的温度为80~130 ℃,反应的时间1~5 h。
10.如权利要求1所述的一种农林废弃物制备生物质基甘油缩酮酯的方法,其特征在于,步骤1)中,所述农林废弃物为玉米秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆、稻草秸秆、棉花秸秆、松木、杨木、柳木、泡桐中任一种或两种以上的组合,农林废弃物粉碎至20~80目。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190802 |
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