李昌志
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蔡海乐
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张波
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李为臻
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裴广贤
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代弢
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王爱琴
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张涛
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60927-5
在众多生物基化合物中,2,5-二甲基呋喃(DMF)是一种有实用前景的可再生液体生物质燃料,也是一种具有重要价值的化学品,可作为生产对苯二甲酸的原料.2,5-二甲基四氢呋喃(DMTF)是DMF进一步加氢产物,该化合物比DMF更稳定,适合长期保存；由于具有更高的氢碳比,用作生物燃料燃烧时能够释放更多能量.研究生物质资源制备DMF和DMTF对可再生资源制备液体燃料和化学品具有重要意义.从生物质多糖出发制备这两类化合物,中间经历了水解、脱水、加氢、加氢脱氧等多个反应步骤,每一步反应都十分复杂,包含许多副反应途径.此外,由于每一步反应条件的不兼容性,大多数研究集中在分步反应阶段,鲜有文献能够实现从碳水化合物原料直接转化为DMF和DMTF.发展由生物质一锅法多步耦合转化技术制备化学品和燃料,不仅具有科学意义,而且可大大简化反应过程,避免中间产物分离和损失,节省资源和时间,历来受到化学家和工业界的关注.本文利用离子液体对Ru/C催化剂电子性质的修饰作用以及溶剂效应的影响,设计了离子液体/THF双相体系中果糖直接催化转化制备2,5-二甲基呋喃(DMF)和2,5-二甲基四氢呋喃(DMTF)的新路线.该转化过程耦合了果糖脱水制HMF、HMF加氢及加氢脱氧生成DMF和DMTF等多步反应.通常在HMF加氢转化过程中, Ru/C催化剂的高活性易导致HMF深度加氢生成大量开环产物及气体,我们借助离子液体与有机溶剂的不同溶解性,筛选出[BMIm]Cl/THF双相溶剂体系,使极性HMF在离子液体层反应,生成弱极性的DMF和DMTF能及时被THF萃取出来,有效稳定了目标产物.其次,果糖转化为HMF会产生少量水,通常水的存在易导致HMF发生水合等副反应,对下一步的加氢转化是不利因素；然而在本催化体系中,由于[BMIm]Cl能与水以较强的氢键结合形成水合物,对水分子起到了束缚作用,减少了HMF发生水解、水合等副反应的机会.另一方面,离子液体粘度较大,微量水的存在能降低离子液体层粘度,改善传质,从而提高反应速率.在HMF加氢处理过程中,离子液体对DMF和DMTF的生成起了决定作用.当反应体系中不添加离子液体,以THF为溶剂,反应结束后未检测到DMF生成, DMTF的收率仅为2%,但HMF已经完全转化.取气体样品进行GC分析,发现有部分气相产物生成,包括CO2、CH4和C2H6等.液体混合物进行GC-MS检测,发现产物主要包括DHMTF、5-甲基四氢糠醇(MTFA)、四氢糠醇(TFA)、1,2-戊二醇、DMTF、2-己醇和少量戊醇,产物中所有呋喃环结构的双键都发生加氢反应.以上结果表明,没有离子液体的THF中, Ru/C催化的HMF涉氢反应平衡已发生改变.当反应体系中添加0.2 g离子液体[BMIm]Cl进行HMF的加氢时,此时开始有DMF生成,随着[BMIm]Cl量依次增加, DMF以及DMTF的收率也呈上升趋势.1.0 g离子液体获得两种产物最高收率为68%.然而,如果进一步增加[BMIm]Cl的量到2.0 g,呋喃基液体燃料DMF和DMTF的收率却开始下降.综合以上实验结果,我们认为适量的[BMIm]Cl存在有可能会对催化剂物理化学性质造成影响,从而对产物的选择性起了决定性作用.通过对催化剂进行元素分析、XPS、H2-TPR表征以及一系列对比实验证明,离子液体不仅促进果糖脱水转化为HMF,同时在HMF选择性加氢反应中可修饰活性金属电子性质,改变催化路径,是多步串联反应能够耦合的关键因素.在[BMIm]Cl/THF双相溶剂体系中,离子液体的“溶剂笼效应”促进DMF和DMTF高效生成, THF的萃取功能对目标产物的稳定起了关键作用.以上对催化剂和溶剂的合理设计共同促进高产率呋喃基燃料的获得.该研究实现由六碳糖直接选择转化获取DMF和DMTF,为生物质高效催化转化制备生物基能源化学品提供了新思路.
关键词:
生物质
,
离子液体
,
2,5-二甲基呋喃
,
2,5-二甲基四氢呋喃
,
5-羟甲基糠醛
,
果糖
,
生物燃料
刘岳曦
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田振玉
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吕清刚
工程热物理学报
本文在Sirjean等人提出的2,5-二甲基呋喃(DMF)氧化模型的基础上,发展了新的DMF热解和氧化动力学模型.该模型可以较好地模拟Lifshitz等人的DMF激波管热解数据以及Sirjean等人和Somers等人的点火延时数据.根据反应路径分析和敏感性分析,讨论了DMF的主要反应路径.DMF与各种自由基发生脱氢反应生成()是热解和氧化中的主要消耗反应,次要消耗路径包括DMF=()=C=()和DMF+H=MF+CH3.此外,DMF+H=CH3CO+C4H5也在DMF热解和氧化中起重要的作用.这些结果将有助于进一步理解DMF的热解和氧化动力学.
关键词:
2,5-二甲基呋喃
,
热解
,
氧化
,
反应路径分析
,
敏感性分析
吴学松
,
黄佐华
,
金春
,
卫立夏
,
苗海燕
,
王锡斌
工程热物理学报
在定容燃烧弹中利用高速纹影摄像法和球形扩展火焰研究了常压下不同燃空当量比和初始温度时2,5-二甲基呋喃-空气混合气的层流火焰特性,获得了拉伸和无拉伸火焰传播速率,无拉伸层流燃烧速率和马克斯坦长度.研究结果表明:2,5-二甲基呋喃-空气混合气的无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率在燃空当量比1.2附近达到最大值,它们都随着初始温度的增加而增加.随着初始温度的增加,无拉伸火焰传播速率的峰值位置向浓混合气(燃空当量比增大)的方向移动.随着燃空当量比的减小和初始温度的增加,马克斯坦长度增加,表明火焰前峰面的稳定性增强.基于实验结果数据,拟合得到了2,5-二甲基呋喃-空气混合气的无拉伸层流燃烧速率的关系式.
关键词:
2,5-二甲基呋喃
,
温度
,
火焰传播速度
,
层流燃烧速率
,
马克斯坦长度
