【成果简介】 |
(1)任务来源 国家自然科学基金课题(20572021)—生物质炭磺酸的合成及单萜的催化转化。 (2)应用领域和技术原理 该项成果是利用生物质或农林加工的废弃物作原料,经过控制炭化和磺化,制备出在表面具有磺酸基的新型炭材料,其功能与目前经过石油化工原料合成的质子交换材料相当,在化工、环保、冶金、医药、食品和能源等工业领域有广泛的应用前景。 (3)性能指标 用研究出的硫酸催化脱水炭化工艺和减压热解炭化工艺,制备的生物质炭磺酸材料的磺酸量均可高达2.0mmol/g。 (4)与国内外同类技术比较 目前国外开展生物质原料制备炭磺酸的研究已经可与我们相比的工艺有两种,一是英国的C1ark教授研究组以淀粉为原料,先将淀粉放在水中100～130 ℃下加热,淀粉膨胀随后形成凝胶;在5 ℃下保持一定时间使淀粉凝胶产生网状结构;在干燥前先将水替换成低表面张力的溶剂,如乙醇等,以防止在干燥过程中网状结构坍塌,真空干燥后就得到膨胀的中孔淀粉。然后热解得较大的比表面积和孔体积的中孔炭,使其适合作为催化剂载体来进行表面修饰,他们称其为“Starbon”。再将其与(MeO)_3Si(CH_2)_3SH反应再用过氧化氢氧化的方法得到了炭基固体磺酸材料。另一条路线是日本东京大学Hara教授研究组,以葡萄糖、蔗糖为原料制备C-磺酸(他们定义为C-sulfonic acid),在炭化温度高于300℃条件下将葡萄糖和蔗糖原料进行不完全炭化,用浓硫酸或发烟硫酸磺化得到有强质子酸的炭材料,在酯化、水解、醚化反应中有催化作用。这两条工艺路线只局限于碳水化合物,且都是采用常规热解的方法。 像我们这样利用木本和草本植物直接合成炭磺酸和催化炭化合成炭磺酸在国内外均尚无人问津。 (5)成果的创造性、先进性 本项目从制备方法学和原料的多样性方面,在国际上率先探索出了从生物质资源制备固体磺酸材料的新工艺,以生物质资源包括碳水化合物、植物纤维、草本植物、木本植物等为原料,通过催化炭化或减压炭化、磺化合成出基于在类石墨烯或稠环芳烃上键联磺酸基团的新型炭材料。整体处于国际先进水平。 (6)作用意义 本成果提供了利用生物质或农林加工废弃物等可再生资源的新途径,创立了一种新型炭材料及其制备技术与工艺,如果产业化实现10000吨/年规模,将年新增2亿元收益。在促进农民增收、促进非化石类资源的开发和促进相关工业领域的技术发展均有突出的现实意义和长远作用。 本成果的技术可用于在林木和竹材加工区域建厂综合利用资源,新型炭材料可广泛用于化工、环保、冶金、医药、食品和能源等工业领域。 本成果的技术尚属于研究阶段,需要通过中试获得技术方案、产品推广和产品标准化等。 |