利用糠醛生产中的废料循环制备生物质碳基催化剂及其在降解玉米芯生成糠醛中的应用

本论文以糠醛生产工艺中产生的含糖废液和木质纤维素残渣为原料制备生物质碳基催化剂，并以此催化剂水热条件下循环催化降解玉米芯生产糠醛。用FT-IR光谱对玉米芯和降解后所得固体残渣的化学结构变化进行对比分析，发现降解后的固体残渣主要成分为木质素和未反应完的纤维素；用DNS法测定含糖废液中的总糖量为63.01%，用HPLC-ELSD确定可溶性糖的组分有阿拉伯糖、木糖、果糖、甘露糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖以及低聚糖。采用SEM、FT-IR、XRD、13C MAS NMR、TG-DTG、拉曼光谱、BET、元素分析和酸密度测定等方法对催化剂进行了表征。结果表明，所制备的生物质碳基催化剂是一种连有磺酸基团（-SO3H）的多芳香稠环的无定型碳结构。通过考察生物质碳基催化剂制备条件对玉米芯降解为糠醛产率的影响，发现木质纤维素残渣与含糖废液的固液比为1.5g:90mL，碳化温度180℃、碳化时间48h、硫酸浸渍浓度0.5mol/L、超声辅助条件下浸渍24h，所得催化剂的酸密度为4.27mmol/g，催化效果较好。将生物质碳基催化剂代替液体酸硫酸用于水热条件降解玉米芯生成糠醛的反应，从而形成一个绿色环保的废物再利用循环体系。在研究过程中，重点考察了反应温度、反应时间、固液比和催化剂用量对糠醛产率的影响，发现在60mL蒸馏水中，5g玉米芯，0.3g生物质碳基催化剂，180℃下反应170min，糠醛产率为19.66%。在此循环过程中，催化剂无需再回收，木质纤维素残渣和含糖废液的循环利用率分别为8.8%和100%。通过考察反应条件对糠醛产率的影响，提出水热条件下生物质碳基催化剂催化降解玉米芯的反应机理：催化剂表面的-OH通过氢键作用吸附纤维素及半纤维素，-SO3H中的H+进而使β-1,4-糖苷键进行有效断裂，生成的可溶性低聚糖和单糖在酸性条件下脱水生成糠醛及少量5-羟甲基糠醛(HMF)。