CN115304565B - 利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法 - Google Patents

利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用多孔碳基固体酸催化制备5‑乙氧基甲基糠醛的方法,包括:以动物骨骼为原料,在无氧条件下预碳化、热解、酸洗和磺化得到多孔碳基固体酸,以所述多孔碳基固体酸为催化剂,以乙醇溶剂体系和5‑羟甲基糠醛/糖类为原料,制备5‑乙氧基甲基糠醛。本发明采用动物骨骼作为原料在无氧条件下预碳化、热解、酸洗和磺化制备多孔碳基固体酸;采用多孔碳基固体酸在乙醇溶剂体系中将5‑羟甲基糠醛或糖类催化转化为5‑乙氧基甲基糠醛。步骤4的时间为1~5h,本发明提供的反应体系简单、适用范围广,可以大幅提高5‑乙氧基甲基糠醛的制备效率和选择性,降低生产成本。

Description

利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法
技术领域
本发明属于固废资源化和催化领域,具体来说涉及一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法。
背景技术
利用生物质催化制备5-羟甲基糠醛是将其转化为高价值产品的桥梁。围绕这个反应国内外学者已经进行了大量的研究,但其工业化生产仍然面临着巨大的挑战。采用果糖作为原料制备5-羟甲基糠醛已经取得了很高的反应效率和选择性,但绝大多数反应体系都是建立在采用二甲基亚砜和离子液体等高沸点有机溶剂的基础上,产物的分离和纯化需要苛刻的反应条件。5-羟甲基糠醛含有活泼的羟基、醛基和呋喃环,在分离、纯化、存储和进一步升级转化过程中都会发生多种副反应,严重制约了5-羟甲基糠醛的生产和实际应用。
5-羟甲基糠醛与乙醇发生醚化反应可以得到一类高价值的液态燃料添加剂5-乙氧基甲基糠醛,采用5-乙氧基甲基糠醛作为燃料添加剂具有突出的优势和巨大的应用前景。第一,5-乙氧基甲基糠醛的热值(8.7kWh/L)明显高于乙醇(6.1kWh/L),与汽油(8.8kWh/L)和柴油(9.7kWh/L)接近,具有很好燃烧性能。第二,已经有研究证明,将5-乙氧基甲基糠醛作为燃料添加剂按照17:83的质量比添加到柴油中,燃烧过程中颗粒物、氮氧化物及硫氧化物的释放显著低于柴油产品。第三,5-乙氧基甲基糠醛的制备过程本质上是连续脱除四分子水的反应过程,不仅不会消耗外在的氢气,也不会产生额外的碳排放。
专利(CN201510084722.4)公开了利用酸性基团功能化石墨烯作为催化剂催化5-羟甲基糠醛制备5-乙氧基甲基糠醛的方法。专利(CN200780008355.3)公开了利用多相酸性催化剂将果糖转化为5-乙氧基甲基糠醛的方法,但该专利应用的酸性催化剂主要是固体(或卤化)有机酸、无机酸、盐、路易斯酸、离子交换树脂、沸石或其组合,副反应严重,目标产物转化率和选择性都很低。专利(CN201110062421.3)公开了5-乙氧基甲基糠醛作为燃料添加剂的用途。
目前报道的催化体系仍然存在着反应效率较低的问题。由于常见的固体酸催化剂酸性位点含量有限且比表面积较低,导致反应的传质效率较低,大部分反应体系都需要较长的反应(通常为10-24小时)才能获得较高的5-乙氧基甲基糠醛产率,实际的反应效率很低,严重制约了大规模生产和应用。
发明内容
针对现有技术不足,本发明的目的在于提供一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法。本发明采用动物骨骼作为原料在无氧条件下预碳化、热解、酸洗和磺化制备多孔碳基固体酸;采用多孔碳基固体酸在乙醇溶剂体系中将5-羟甲基糠醛或糖类催化转化为5-乙氧基甲基糠醛。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,包括:
以动物骨骼为原料,在无氧条件下预碳化、热解、酸洗和磺化得到多孔碳基固体酸,以所述多孔碳基固体酸为催化剂,以乙醇溶剂体系和5-羟甲基糠醛/糖类为原料,制备5-乙氧基甲基糠醛。
在上述技术方案中,所述方法包括以下步骤:
步骤1,将动物骨骼干燥粉碎,在无氧条件下,预碳化,热解,得到固体材料,其中,所述预碳化为于200~400℃保持0.5~3h,所述热解为于500~900℃保持1~5h;
在所述步骤1中,所述无氧条件为通过惰性气体环境或N2环境实现。
在所述步骤1中,所述动物骨骼为鸡骨或鱼骨。
在所述步骤1中,所述干燥的温度为50~100℃,干燥的时间为5~12h,粉碎至粒径为50~300目。
步骤2,在室温20~25℃下,将步骤1所得固体材料在搅拌条件下酸洗,离心,得到多孔碳材料,其中,所述酸洗所采用酸的氢离子浓度为0.5~3mol/L,所述酸洗的时间为1~12h;
在所述步骤2中,所述搅拌条件的搅拌速度为500~1500r/min。
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至60~100℃,再加入对氨基苯磺酸混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,60~100℃加热回流并搅拌,过滤,洗涤,干燥后,得到多孔碳基固体酸,其中,所述水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为(10~50):(0.1~0.5):(0.1~1):(0.1~1),所述体积份数的单位为mL,所述质量份数的单位为g;
在所述步骤3中,混合均匀的搅拌时间为5~30min。
在所述步骤3中,加热回流并搅拌的时间为6~24h。
在所述步骤3中,所述多孔碳基固体酸的比表面积为35~300m2 g-1
在所述步骤3中,所述洗涤为先后依次采用水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤。
步骤4,将步骤3所得多孔碳基固体酸、糖类/5-羟甲基糠醛和乙醇溶剂体系混合,60~180℃加热1~5h即可,其中,所述多孔碳基固体酸的质量份数、糖类/5-羟甲基糠醛的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为(0.01~0.05):(0.02~0.1):(1~5),所述体积份数的单位为mL,所述质量份数的单位为g,所述乙醇溶剂体系为无水乙醇或混合溶剂,所述混合溶剂为无水乙醇和有机溶剂的混合物,按体积份数计,所述混合溶剂中无水乙醇和有机溶剂的比为(1~5):10,所述有机溶剂为γ-戊内酯或乙二醇二甲醚,所述糖类为果糖或菊粉。
在所述步骤4中,所述60~180℃优选为110~150℃。
本发明采用动物骨骼作为原料在无氧条件下预碳化、热解、酸洗和磺化制备多孔碳基固体酸;采用多孔碳基固体酸在乙醇溶剂体系中将5-羟甲基糠醛或糖类催化转化为5-乙氧基甲基糠醛。步骤4的时间为1~5h,本发明提供的反应体系简单、适用范围广,可以大幅提高5-乙氧基甲基糠醛的制备效率和选择性,降低生产成本。
附图说明
图1为实施例1制备的5-乙氧基甲基糠醛的高效液相色谱图。
图2为N2吸脱附曲线图,其中,a为实施例1-3制备的多孔碳材料,b为实施例1-3制备的多孔碳基固体酸。
图3为孔径分布曲线图,其中,a为实施例1-3制备的多孔碳材料,b为实施例1-3制备的多孔碳基固体酸。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明具体实施方式中使用的相关仪器设备如下:
高效液相色谱仪:赛默飞U3000。
本发明具体实施方式中使用的相关药品如下:
在下述实施例中,硝酸的浓度为1mol/L(pH为0)。
实施例1
一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,包括以下步骤:
步骤1,将10g动物骨骼于80℃下干燥12h,粉碎至粒径为100目,在N2环境下预碳化,热解,得到固体材料,其中,预碳化为于350℃下保持1h,热解为于500℃保持3h,动物骨骼为鸡骨;
步骤2,在室温20~25℃下,将步骤1所得固体材料于1000r/min的搅拌速度搅拌,并用200mL硝酸酸洗9h,离心,得到多孔碳材料;
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至80℃,再加入对氨基苯磺酸搅拌30min混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,80℃加热回流并搅拌12h,过滤,先后依次采用纯水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤,80℃干燥12h后,得到多孔碳基固体酸,其中,水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为30:0.2:0.4:0.4,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g;
步骤4,在反应器中,将步骤3所得多孔碳基固体酸、糖类和乙醇溶剂体系混合,120℃加热3h,用高效液相色谱检测5-乙氧基甲基糠醛的产率为40.6%,其中,多孔碳基固体酸的质量份数、糖类的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为0.01:0.045:1,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g,乙醇溶剂体系为无水乙醇,糖类为果糖。
如图1为实施例1制备的5-乙氧基甲基糠醛的高效液相色谱图,由图1可知,反应的中间产物5-羟甲基糠醛在2.9min左右出峰,反应产物5-乙氧基甲基糠醛在4.4min左右出峰。
实施例2
一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,包括以下步骤:
步骤1,将10g动物骨骼于80℃下干燥12h,粉碎至粒径为100目,在N2环境下预碳化,热解,得到固体材料,其中,预碳化为于350℃下保持1h,热解为于900℃保持3h,动物骨骼为鸡骨;
步骤2,在20~25℃室温下,将步骤1所得固体材料于1000r/min的搅拌速度搅拌,并用200mL硝酸酸洗9h,离心,得到多孔碳材料;
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至80℃,再加入对氨基苯磺酸搅拌30min混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,80℃加热回流并搅拌12h,过滤,先后依次采用纯水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤,80℃干燥12h后,得到多孔碳基固体酸,其中,水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为30:0.2:0.4:0.4,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g;
步骤4,在反应器中,将步骤3所得多孔碳基固体酸、糖类和乙醇溶剂体系混合,120℃加热3h,用高效液相色谱检测5-乙氧基甲基糠醛的产率为60.8%,其中,多孔碳基固体酸的质量份数、糖类的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为0.01:0.045:1,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g,乙醇溶剂体系为无水乙醇,糖类为果糖。
实施例3
一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,包括以下步骤:
步骤1,将10g动物骨骼于80℃下干燥12h,粉碎至粒径为100目,在N2环境下预碳化,热解,得到固体材料,其中,预碳化为于350℃下保持1h,热解为于700℃保持3h,动物骨骼为鸡骨;
步骤2,在20~25℃室温下,将步骤1所得固体材料于1000r/min的搅拌速度搅拌,并用200mL硝酸酸洗9h,离心,得到多孔碳材料;
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至80℃,再加入对氨基苯磺酸搅拌30min混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,80℃加热回流并搅拌12h,过滤,先后依次采用纯水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤,80℃干燥12h后,得到多孔碳基固体酸,其中,水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为30:0.2:0.4:0.4,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g;
步骤4,在反应器中,将步骤3所得多孔碳基固体酸、糖类和乙醇溶剂体系混合,130℃加热1h,用高效液相色谱检测5-乙氧基甲基糠醛的产率为67.2%,其中,多孔碳基固体酸的质量份数、糖类的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为0.01:0.045:1,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g,乙醇溶剂体系为无水乙醇,糖类为果糖。
实施例4
一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,包括以下步骤:
步骤1,将10g动物骨骼于80℃下干燥12h,粉碎至粒径为100目,在N2环境下预碳化,热解,得到固体材料,其中,预碳化为于350℃下保持1h,热解为于700℃保持3h,动物骨骼为鸡骨;
步骤2,在20~25℃室温下,将步骤1所得固体材料于1000r/min的搅拌速度搅拌,并用200mL硝酸酸洗9h,离心,得到多孔碳材料;
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至80℃,再加入对氨基苯磺酸搅拌30min混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,80℃加热回流并搅拌12h,过滤,先后依次采用纯水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤,80℃干燥12h后,得到多孔碳基固体酸,其中,水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为30:0.2:0.4:0.4,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g;
步骤4,在反应器中,将步骤3所得多孔碳基固体酸、糖类和乙醇溶剂体系混合,130℃加热2h,用高效液相色谱检测5-乙氧基甲基糠醛的产率为72.8%,其中,多孔碳基固体酸的质量份数、糖类的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为0.01:0.045:1,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g,乙醇溶剂体系为混合溶剂,混合溶剂为无水乙醇和有机溶剂的混合物,按体积份数计,混合溶剂中,无水乙醇和有机溶剂的比3:7,有机溶剂为γ-戊内酯,糖类为果糖。
实施例5
一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,包括以下步骤:
步骤1,将10g动物骨骼于80℃下干燥12h,粉碎至粒径为100目,在N2环境下预碳化热解,得到固体材料,其中,预碳化为于350℃下保持1h,热解为于700℃保持3h,动物骨骼为鸡骨;
步骤2,在20~25℃室温下,将步骤1所得固体材料于1000r/min的搅拌速度搅拌,并用200mL硝酸酸洗9h,离心,得到多孔碳材料;
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至80℃,再加入对氨基苯磺酸搅拌30min混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,80℃加热回流并搅拌12h,过滤,先后依次采用纯水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤,80℃干燥12h后,得到多孔碳基固体酸,其中,水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为30:0.2:0.4:0.4,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g;
步骤4,在反应器中,将步骤3所得多孔碳基固体酸、糖类和乙醇溶剂体系混合,130℃加热2h,用高效液相色谱检测5-乙氧基甲基糠醛的产率为63.6%,其中,多孔碳基固体酸的质量份数、糖类的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为0.01:0.045:1,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g,乙醇溶剂体系为无水乙醇,糖类为菊粉。
实施例6
一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,包括以下步骤:
步骤1,将10g动物骨骼于80℃下干燥12h,粉碎至粒径为100目,在N2环境下预碳化热解,得到固体材料,其中,预碳化为于350℃下保持1h,热解为于700℃保持3h,动物骨骼为鸡骨;
步骤2,在20~25℃室温下,将步骤1所得固体材料于1000r/min的搅拌速度搅拌,并用200mL硝酸酸洗9h,离心,得到多孔碳材料;
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至80℃,再加入对氨基苯磺酸搅拌30min混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,80℃加热回流并搅拌12h,过滤,先后依次采用纯水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤,80℃干燥12h,得多孔碳基固体酸,其中,水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为30:0.2:0.4:0.4,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g;
步骤4,在反应器中,将步骤3所得多孔碳基固体酸、5-羟甲基糠醛和乙醇溶剂体系混合,130℃加热1.5h,用高效液相色谱检测5-乙氧基甲基糠醛的产率为94.7%,其中,多孔碳基固体酸的质量份数、5-羟甲基糠醛的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为0.01:0.045:1,体积份数的单位为mL,质量份数的单位为g,乙醇溶剂体系为无水乙醇。
本发明实施例1-3制备的多孔碳材料的比表面积、孔容、微孔孔容、介孔孔容、石墨化程度的测试结果,如表1所示。
本发明实施例1-3制备的多孔碳基固体酸的比表面积、孔容、微孔孔容、介孔孔容、石墨化程度以及磺酸基含量的测试结果,如表2所示。
表1
Figure BDA0003515617970000081
表2
Figure BDA0003515617970000082
由表1和表2可知,实施例1-3中多孔碳材料的比表面积随着热解温度的升高而增大,当热解温度达到900℃时,多孔碳材料的比表面积达到1109.3m2 g-1。随着热解温度从500℃提高至900℃,多孔碳基固体酸的比表面积从35.4m2 g-1提高至468.9m2 g-1。多孔碳基固体酸与其对应的多孔碳材料相比,比表面积和孔容分别降低了58~74%和47~58%。
由表2可知,实施例3制备的多孔碳基固体酸保留一定的介孔结构,而微孔结构完全消失。实施例2制备的多孔碳基固体酸同时具有微孔结构和介孔结构。当热解温度为700℃时,实施例3制备的多孔碳基固体酸的石墨化程度最高,所含sp2碳含量最高。由于磺酸基只能接枝在sp2碳上,较高的sp2碳含量有助于引入更多的磺酸基。所以,实施例3制备的多孔碳基固体酸的磺酸基含量最高,达到2.33mmol/g。磺酸基是催化果糖脱水反应和5-羟甲基糠醛醚化反应的主要活性位点,较高的磺酸基含量有助于反应的进行。介孔结构有助于促进吸附和传质过程,有利于反应过程的顺利进行。反应物很难进入微孔结构,因此微孔不利于反应的进行。
相比于实施例1和实施例2,本发明实施例3制备的多孔碳基固体酸具有高的磺酸基含量,介孔结构也相对较高,且完全堵塞微孔结构,因此,在制备5-乙氧基甲基糠醛的反应中表现出最优的催化性能。
以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用多孔碳基固体酸催化制备5-乙氧基甲基糠醛的方法,其特征在于,包括:以动物骨骼为原料,在无氧条件下预碳化、热解、酸洗和磺化得到多孔碳基固体酸,以所述多孔碳基固体酸为催化剂,以乙醇溶剂体系和5-羟甲基糠醛/糖类为原料,制备5-乙氧基甲基糠醛。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1,将动物骨骼干燥粉碎,在无氧条件下,预碳化,热解,得到固体材料,其中,所述预碳化为于200~400℃保持0.5~3h,所述热解为于500~900℃保持1~5h;
步骤2,在室温20~25℃下,将步骤1所得固体材料在搅拌条件下酸洗,离心,得到多孔碳材料,其中,所述酸洗所采用酸的氢离子浓度为0.5~3mol/L,所述酸洗的时间为1~12h;
步骤3,将步骤2所得多孔碳材料与水混合,得到悬浮液,将悬浮液在回流的条件下加热至60~100℃,再加入对氨基苯磺酸混合均匀,加入亚硝酸异戊酯,60~100℃加热回流并搅拌,过滤,洗涤,干燥后,得到多孔碳基固体酸,其中,所述水的体积份数、多孔碳材料的质量份数、对氨基苯磺酸的质量份数和亚硝酸异戊酯的质量份数的比为(10~50):(0.1~0.5):(0.1~1):(0.1~1),所述体积份数的单位为mL,所述质量份数的单位为g;
步骤4,将步骤3所得多孔碳基固体酸、糖类/5-羟甲基糠醛和乙醇溶剂体系混合,60~180℃加热1~5h即可,其中,所述多孔碳基固体酸的质量份数、糖类/5-羟甲基糠醛的质量份数和乙醇溶剂体系的体积份数的比为(0.01~0.05):(0.02~0.1):(1~5),所述体积份数的单位为mL,所述质量份数的单位为g,所述乙醇溶剂体系为无水乙醇或混合溶剂,所述混合溶剂为无水乙醇和有机溶剂的混合物,按体积份数计,所述混合溶剂中无水乙醇和有机溶剂的比为(1~5):10,所述有机溶剂为γ-戊内酯或乙二醇二甲醚,所述糖类为果糖或菊粉。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,在所述步骤1中,所述无氧条件为通过惰性气体环境或N2环境实现。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述步骤1中,所述动物骨骼为鸡骨或鱼骨。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在所述步骤1中,所述干燥的温度为50~100℃,干燥的时间为5~12h,粉碎至粒径为50~300目。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,在所述步骤2中,所述搅拌条件的搅拌速度为500~1500r/min。
7.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,在所述步骤3中,混合均匀的搅拌时间为5~30min;
在所述步骤3中,加热回流并搅拌的时间为6~24h。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,在所述步骤3中,所述多孔碳基固体酸的比表面积为35~300m2 g-1
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,在所述步骤3中,所述洗涤为先后依次采用水、N-N-二甲基甲酰胺和丙酮洗涤。
10.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,在所述步骤4中,所述60~180℃为110~150℃。
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