一种生物质联产糠醛和碳量子点的方法及产品转让专利
申请号 : CN201910208791.X
文献号 : CN109956917B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 杨海平 , 白小薇 , 陈应泉 , 陈伟 , 陈旭 , 邵敬爱 , 杨晴 , 曾阔 , 王贤华 , 张世红 , 陈汉平
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:(a)将干燥的生物质原料和固体酸催化剂分别置于第一反应区和第二反应区中,通入惰性气体加压至1MPa~1.5MPa并在500℃~800℃下加热10min~15min,使所述生物质原料热解产生固体产物和挥发分,其中所述挥发分在所述固体酸催化剂的催化下发生二次裂解,然后冷凝形成液体产物,所述固体酸催化剂为Na/Fe复合型固体酸催化剂或Fe基固体酸催化剂;
(b)待反应完成后冷却至室温,利用有机溶剂对所述液体产物进行萃取获得糠醛,并将所述固体产物溶于有机溶剂中,超声震荡使其充分溶解后选取上层清液,对该上层清液进行离心后过滤获得滤液,调节滤液的pH然后采用截留分子量为400Da~1200Da的透析袋进行透析获得透析滤液,最后将该透析滤液冷冻干燥获得碳量子点。
2.如权利要求1所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述步骤(a)中生物质原料的粒径为40目~80目,将该生物质原料在100℃~110℃下加热20h~24h进行干燥。
3.如权利要求1或2所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述步骤(a)中生物质原料与固体酸催化剂的质量比为1:1~1:20。
4.如权利要求1所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述步骤(b)中用于萃取糠醛的有机溶剂为甲醇、丙酮或二氯甲烷。
5.如权利要求1所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述步骤(b)中用于溶解固体产物的有机溶剂为醇类溶剂。
6.如权利要求5所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述醇类溶剂为甲醇或乙醇。
7.如权利要求1所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述步骤(b)中固体产物与有机溶剂的质量比为1:20~1:40。
8.如权利要求1所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述步骤(b)中超声震荡的时间为15min~20min,离心转速为8000rpm~10000rpm,离心时间为5min~
10min,滤液的pH调节到4以下。
9.如权利要求1所述的生物质联产糠醛和碳量子点的方法,其特征在于,所述步骤(b)中透析时间为10h~12h,冷冻干燥的温度为‑10℃~‑20℃,冷冻干燥的时间为24h~48h。
说明书 :
一种生物质联产糠醛和碳量子点的方法及产品
技术领域
背景技术
各国的关注。生物质是一类储量丰富、无污染或低污染、成本低、可再生的资源。生物质还是
目前自然界中唯一一种可再生的碳源,显示其作为一种替代能源的巨大潜力。因此以生物
质为原料生产化学品可在一定程度上实现对于传统能源的替代,有助于支持社会的可持续
发展。
用于合成塑料、医药、农药等工业。目前,关于生物质制备糠醛的研究主要采用水解法在无
机酸或有机酸环境下进行,虽然已实现产业化,但是酸性条件下热解带来了严重的腐蚀。
有很大的优势,在医学成像设备、微小的发光二极管、化学传感器和光催化反应等领域中都
有较好的应用前景。自从碳量子点被首次发现以来,人们开发出了许多合成方法,包括电弧
放电法、激光销蚀法、电化学合成法、化学氧化法、燃烧法、水热合成法、微波合成法、模板法
等。其中的碳源多使用碳纳米管、碳纤维、石墨棒、碳灰和活性炭,这类原料的成本相对较
高,而利用生物质作为原料制备碳量子点的方法虽然成本较低但是应用相对较少。
发明内容
件进行设计,相应能够保证糠醛产率的同时制得粒径均匀的碳量子点,因而尤其适用于生
物质再利用之类的应用场合。
所述挥发分在所述固体酸催化剂的催化下发生二次裂解,然后冷凝形成液体产物;
液进行离心后过滤获得滤液,调节滤液的pH然后透析获得透析滤液,最后将该透析滤液冷
冻干燥获得碳量子点。
优选为24h~48h。
成糠醛,同时生物质原料高温热解产生的固体产物通过溶解、过滤、透析等操作可获得品质
较好的碳量子点,从而实现了糠醛和碳量子点的联产,在避免酸性物质腐蚀的同时具有较
好的经济性;
效提供糠醛的产率,同时热解温度越高获得的碳量子点的粒径越小,并且分散度越高;
效益,因此本发明通过控制生物质与固体酸催化剂的质量比在1:1~1:20的范围内,保证糠
醛产率的同时能够获得较高的糠醛选择性;
附图说明
例1的碳量子点;
具体实施方式
不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
应器中通入惰性气体如氮气或氩气加压至1MPa~1.5MPa,待两段式固定床达到反应温度后
将反应器放入,加热10min~15min保证反应完全,使生物质原料热解产生固体产物和挥发
分,其中挥发分如脱水糖在固体酸催化剂的催化下发生二次裂解生成呋喃类产物,然后进
入冷凝装置中形成液体产物;
依次通过固体酸催化剂和冷凝装置,避免强烈的返混反应导致糠醛的产量降低;
15min~20min使其小分子的碳量子点与大分子的无定形碳分离后充分溶解在有机溶剂中,
而大分子的无定形碳形成沉淀,选取上层清液对其进行离心后过滤去除中等的无定形碳从
而获得滤液,调节滤液的pH≤4后进行透析获得透析滤液,最后将该透析滤液在‑10℃~‑20
℃下冷冻干燥24h~48h获得碳量子点。
的裂解形成小分子,同样也会降低糠醛的产率,同时热解温度还直接影响到碳量子点的品
质,温度越高获得的碳量子点粒径越小并且分散度越高。
造成生产成本的增加。
中,向反应器中通入氮气加压至1.5MPa,待两段式固定床达到450℃后将反应器放入,加热
15min,使生物质原料热解产生固体产物和挥发分,其中挥发分在固体酸催化剂的催化下发
生二次裂解,然后进入冷凝装置中形成液体产物;
15min使其充分溶解后选取上层清液,在8000rpm下离心5min后过滤获得滤液,调节滤液的
pH≤4后采用截留分子量为1200Da的透析袋透析12h获得透析滤液,最后将该透析滤液在‑
15℃下冷冻干燥24h获得碳量子点。
区中,向反应器中通入氮气加压至1.5MPa,待两段式固定床达到550℃后将反应器放入,加
热15min,使生物质原料热解产生固体产物和挥发分,其中挥发分在固体酸催化剂的催化下
发生二次裂解,然后进入冷凝装置中形成液体产物;
15min使其充分溶解后选取上层清液,在8000rpm下离心5min后过滤获得滤液,调节滤液的
pH≤4后采用截留分子量为1200Da的透析袋透析12h获得透析滤液,最后将该透析滤液在‑
15℃下冷冻干燥24h获得碳量子点。
中,向反应器中通入氮气加压至1.5MPa,待两段式固定床达到750℃后将反应器放入,加热
15min,使生物质原料热解产生固体产物和挥发分,其中挥发分在固体酸催化剂的催化下发
生二次裂解,然后进入冷凝装置中形成液体产物;
15min使其充分溶解后选取上层清液,在8000rpm下离心5min后过滤获得滤液,调节滤液的
pH≤4后采用截留分子量为1200Da的透析袋透析12h获得透析滤液,最后将该透析滤液在‑
15℃下冷冻干燥24h获得碳量子点。
随着加热温度的增加,糠醛的产率(峰面积百分比)先增加后减少,在650℃达到最大;
为高聚集无定形生物质碳,而随着热解温度的升高,碳量子点不断裂解使制得产物的粒径
尺寸从十几纳米变为几纳米,并且在750℃下可以获得分散度较高,粒径尺寸较为均一的高
品质碳量子点。
选择性在产物中很高,并且固体酸催化剂的添加比例增大时,糠醛的选择性先增加后略微
减小,并在1:10时达到最大为64.7%,而糠醛的产率先减小后增加,并且远高于1:0.2时的
产率,因此在本发明提供的范围内在保证糠醛产率的同时能获得较高的糠醛选择性。
中,向反应器中通入氩气加压至1MPa,待两段式固定床达到500℃后将反应器放入,加热
15min,使生物质原料热解产生固体产物和挥发分,其中挥发分在固体酸催化剂的催化下发
生二次裂解,然后进入冷凝装置中形成液体产物;
20min使其充分溶解后选取上层清液,在10000rpm下离心10min后过滤获得滤液,调节滤液
的pH≤4后采用截留分子量为400Da的透析袋透析12h获得透析滤液,最后将该透析滤液在‑
20℃下冷冻干燥24h获得碳量子点。
应器中通入氮气加压至1MPa,待两段式固定床达到800℃后将反应器放入,加热15min,使生
物质原料热解产生固体产物和挥发分,其中挥发分在固体酸催化剂的催化下发生二次裂
解,然后进入冷凝装置中形成液体产物;
使其充分溶解后选取上层清液,在10000rpm下离心5min后过滤获得滤液,调节滤液的pH≤4
后采用截留分子量为800Da的透析袋透析10h获得透析滤液,最后将该透析滤液在‑10℃下
冷冻干燥48h获得碳量子点。
在本发明的保护范围之内。