纖維素及松木屑液化制備乙酰丙酸甲酯反應過程研究(摘要)

賀小亮

(1.中國林業(yè)科學研究院，北京 100091； 2.中國林業(yè)科學研究院 林產化學工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042)

·碩士畢業(yè)論文介紹·

纖維素及松木屑液化制備乙酰丙酸甲酯反應過程研究(摘要)

Research on the Reaction Process of Producing Methyl Levulinate by Liquefaction of Cellulose and Pine Sawdust(Abstract)

賀小亮

(1.中國林業(yè)科學研究院，北京 100091； 2.中國林業(yè)科學研究院 林產化學工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042)

隨著我國經濟的快速發(fā)展，能源消耗大幅攀升，而傳統(tǒng)的不可再生的化石能源逐漸枯竭，在不久的將來必定不能滿足日益旺盛的能源需求，能源供需將會更趨于緊張，價格也會越來越高，成為制約經濟發(fā)展的重要因素，也對國家能源安全構成很大的威脅。同時，大量化石能源的使用也帶來了嚴重的環(huán)境與氣候問題，使得經濟發(fā)展與環(huán)境污染之間的矛盾日益突出。而在化石能源短缺的同時，生物質能作為一種清潔的可再生能源卻面臨著利用不足的問題，大量生物質被丟棄或者焚燒，造成資源浪費和環(huán)境污染。如果用可再生的生物質資源替代部分的不可再生化石資源制取能源或化學品，將能夠緩解能源壓力，改善環(huán)境，緩解氣候變暖等氣候問題，解決經濟發(fā)展與環(huán)境污染之間的矛盾。本文研究了以纖維素及松木屑為原料制取乙酰丙酸甲酯的技術，并在得到的液體中分離乙酰丙酸甲酯。主要的研究內容與成果如下：

1. 纖維素液化實驗。以纖維素為原料，分別以甲醇及甘油與甲醇的復合溶劑為液化劑，考察了各因素對纖維素液化轉化率及乙酰丙酸甲酯得率的影響。結果表明：甲醇為液化劑時，最佳的工藝條件是在反應釜中加入10 g纖維素，甲醇按質量比m甲醇∶m纖維素=6 ∶1加入，硫酸用量為纖維素質量的2.5%，反應終點溫度達到240 ℃即停止反應，在該條件下纖維素液化轉化率為83.5%，乙酰丙酸甲酯得率達到34.08%；甘油與甲醇復合溶劑作為液化劑時，最佳的工藝條件是在反應釜中，加入10 g纖維素，甘油、甲醇按質量比m甘油∶m甲醇∶m纖維素=1 ∶5 ∶1加入,硫酸用量為加入纖維素質量的5%，反應溫度為200 ℃，停留時間90 min，此時纖維素液化轉化率為88.1%，乙酰丙酸甲酯得率為34.12%，相對甲醇液化，反應溫度有所降低，液化轉化率也有提高。

2. 松木屑液化實驗。以松木屑為原料，甘油甲醇復合溶劑為液化劑，考察了催化劑種類、催化劑用量、反應溫度、復合溶劑中甘油與甲醇質量比及停留時間對木屑液化轉化率和乙酰丙酸甲酯得率的影響。通過單因素實驗，得到了木屑液化制取乙酰丙酸甲酯最佳的工藝條件，即：在反應釜中加入10 g松木屑，甘油、甲醇按m甘油∶m甲醇∶m松木屑=1 ∶5 ∶1加入,硫酸用量為松木屑質量的1.5%，反應溫度為200 ℃，停留時間120 min，此時松木屑液化轉化率為75.7%，乙酰丙酸甲酯得率為17.19%。

3. 松木屑液化過程中各組分間相互影響的研究。通過熱重分析、液化轉化率、乙酰丙酸甲酯得率及分析對比松木屑液化最佳工況條件下纖維素、木聚糖、木質素與木屑的液化產物，考察木屑反應過程中各組分間的相互影響。熱重分析顯示，理論計算與實際木屑分析得到的TG和DTG曲線在物理變化溫度區(qū)間比較吻合，而在主要的熱解失重區(qū)域，兩條曲線不吻合，這就說明木屑在熱解過程中各組分在熱解過程中并不是孤立的進行的，而是相互影響的；對比單組分液化與木屑液化的轉化率及乙酰丙酸甲酯得率，發(fā)現(xiàn)實際木屑液化轉化率及乙酰丙酸甲酯得率分別為75.7%和17.19%，都比理論的59.41%和13.03%高，說明在生物質實際液化過程中各組分會相互影響；GC-MS分析發(fā)現(xiàn)液化產物都比較復雜，物質液化過程并不是三大組分各自液化的疊加，而是相互間反應，相互影響，產物變得更加復雜。

4. 乙酰丙酸甲酯分離實驗。對纖維素液化產物進行分段蒸餾，收集各溫度段餾分，并進行GC-MS分析。結果表明，乙酰丙酸甲酯主要出現(xiàn)在120～150 ℃減壓蒸餾時收集的餾分中，其中上層液為導熱劑正十四烷，下層為富含乙酰丙酸甲酯的餾分，含水率為5.41%，乙酰丙酸甲酯GC含量達85.349%。

纖維素；木屑；液化；乙酰丙酸甲酯；轉化率；得率；分離

指導老師：蔣劍春(1955—)，男，江蘇溧陽人，研究員，博士生導師，主要從事生物質能源和炭材料的研究開發(fā)工作；E-mail：bio-energy@163.com。