一种用于纤维素水解的Cu-Zn-Al类水滑石/高岭土复合催化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及纤维素水解技术领域，公开了一种用于纤维素水解的Cu

【技术实现步骤摘要】
一种用于纤维素水解的Cu
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Zn
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Al类水滑石/高岭土复合催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及纤维素水解
，尤其涉及一种用于纤维素水解的Cu
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Zn
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Al类水滑石/高岭土复合催化剂的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着社会经济的不断发展进步，煤、石油、天然气等化石资源面临枯竭，环境破坏严重，然而，世界各国对能源的需求依然不断增长。目前，除了倡导节能减排之外全世界都在致力于开发和利用可再生能源以减少化石能源的利用，保护生态环境系统，推进人类社会的可持续发展。目前，可再生能源主要包含生物质、地热能、太阳能、风能、海洋能源等。
[0003]在各种可再生能源中，由于核能、大型水电具有潜在的生态环境风险，风能和地热等区域性资源制约，大力发展遭到限制和质疑，而生物质能由于其自然界含量丰富、具有良好的可再生性能等特点被人们认可。生物质可以转化成常规的固态、液态和气态燃料，煤、石油、天然气等能源实质上也是由生物质能转变而来的。因此，有效且高效的开发生物质成为人类关注的问题。
[0004]纤维素作为自然界中最丰富的可再生资源，是一种绿色清洁的可再生能源，是地球上最广泛的生物质资源，纤维素化学结构稳定，要想利用纤维素则必须使纤维素水解。纤维素水解可转化为葡萄糖等还原性糖、乙醇、乳酸、谷氨酸、葡糖二酸、5
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羟甲基糠醛、乙酰丙酸等小分子产物。糖类又可以高效地转化为其它的平台化合物，因此，如何高效地利用纤维素使其水解为更有价值的化学品成为目前科研工作者关注的热点问题。
[0005]目前，用于纤维素水解的较常见的催化剂主要为酶催化剂、液体酸催化剂、固体酸催化剂和杂多酸催化剂等。利用酶催化一般可实现纤维素高转化率及高选择性地水解成糖，但受限于酶催化剂来源和热稳定性等，其获取困难且水解所需的反应时间较长，转化速度偏慢。此外，酶的成本高、稳定性差、容易失活、回收困难，极大地限制了其在化学工业中的应用。液体酸催化剂主要包括无机酸(盐酸、硫酸、磷酸等)和有机酸(草酸、芳基磺酸、甲酸等)。一般，液体酸催化剂用于纤维素水解中具有较高的转化率，但由于液体酸催化剂的酸性过强，容易造成糖产物的继续催化而发生副反应，导致水解选择性降低。此外，液体酸催化剂浓度较高会对设备造成较严重的损坏，并且所用的酸回收困难，对环境污染严重，这些缺点限制了液体酸催化剂的广泛使用。杂多酸是由杂原子和多原子按一定结构通过氧原子配位形成的一种强酸性催化剂，杂多酸具有较强的催化能力，在提升水解转化率、选择性及速度方面均具有优势，但是由于杂多酸易溶于水、回收相对困难而限制了其应用。固体酸催化剂相对于液体酸催化剂具有更突出的优点，固体酸更容易与产物分离，可以循环再利用，对反应器的损害较小。此外，使用固体酸催化剂可以减少对环境的污染。所以，采用廉价高效的催化剂使纤维素水解对高效利用纤维素有重大的意义。
[0006]研究发现，高岭土对纤维素水解制还原糖具有较好的催化活性。众所周知，高岭土是一种低成本、自然界含量丰富的天然粘土，层状硅酸盐矿物，由SiO4四面体和AlO6八面体
组成的1∶1层状结构，其化学式为2SiO2·
Al2O3·
2H2O。我国的高岭土资源位于世界前列，我国也是开发和利用高岭土资源最早的国家。高岭土用途也十分广泛，主要用于造纸、陶瓷和耐火材料，其次用于涂料、橡胶填料、搪瓷釉料和白水泥原料，少量用于塑料、油漆、颜料、砂轮、铅笔、日用化妆品、肥皂、农药、医药、纺织、石油、化工、建材、国防等工业部门。高岭土由于热稳定性较高、原料成本较低、资源相对丰富、应用途径广泛，所以被广泛的应用和开发。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于纤维素水解的Cu
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Zn
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Al类水滑石/高岭土复合催化剂的制备方法及应用，本专利技术催化剂对纤维素水解制备还原糖有较好的催化活性，纤维素转化率以及还原糖收率都较高；同时该催化剂为固体催化剂，易分离回收、无毒无污染，不会对设备造成腐蚀。
[0008]本专利技术的具体技术方案为：第一方面，本专利技术提供了一种用于纤维素水解的Cu
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Zn
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Al类水滑石/高岭土复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)将CuSO4·
5H2O、ZnSO4·
7H2O、Al2(SO4)3·
18H2O配制为混合盐溶液；2)向步骤1)所得混合盐溶液中加入高岭土，搅拌均匀，再超声分散均匀；3)将步骤2)所得混合溶液转移至反应釜中进行水热处理；4)将步骤3)所得产物水洗至中性，干燥，研磨成粉末，即得到Cu
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Zn
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Al类水滑石/高岭土复合催化剂。
[0009]本专利技术团队在先前的研究中发现，高岭土用于纤维素水解具有较高的催化活性主要是由于高岭土表面的羟基作用促进纤维素的水解。因此，在此基础上引入更多的羟基基团有望获得更高的还原糖收率。在本专利技术中，以高岭土为载体，通过水热法在高岭土结构中引入富含羟基基团的类水滑石化合物，所得复合催化剂相较于单一的高岭土或金属盐催化剂，在纤维素水解制取还原糖的反应中具有更好的催化活性，尤其是体现在纤维素转化率以及还原糖收率都较高。
[0010]本专利技术的复合催化剂较单一的高岭土、水滑石或者将高岭土和水滑石物理混合后所得复合催化剂而言，催化活性更高。具体地，我们通过实验结果发现，类水滑石化合物修饰的高岭土并没有改变高岭土的结构，同时类水滑石化合物均匀生长在高岭土周围。而单一的水滑石片层容易大量堆积、金属离子用量大。而将水滑石和高岭土物理混合复配也无法解决上述技术问题。
[0011]作为优选，步骤1)中，CuSO4·
5H2O、ZnSO4·
7H2O、Al2(SO4)3·
18H2O中Cu、Zn和Al元素的摩尔比为1.0
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2.0∶1.0
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2.0∶0.2
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0.8。
[0012]本专利技术将上述三种元素的比例控制在上述范围的原因是：水滑石类化合物属于阴离子粘土中的一员，它的结构类似于水镁石。板层上的一部分Cu
2+
被半径相似的三价阳离子取代，从而形成了一个正电荷密度层；层间进驻阴离子或水合阴离子来维持水滑石结构的电中性。改变层板内二价、三价金属阳离子的比例及层间阴离子的分布可以调变层板的酸碱性，便于其作为催化剂载体与金属离子或化合物相结合。同时，较大的比表面积可以促进金属离子均匀分散，增大与反应物之间的接触面积，在催化反应中发挥更大的作用。但传统方法合成的水滑石类化合物存在一定缺陷，如：水滑石类化合物片层容易大量堆积、金属离
子用量大等。
[0013]作为优选，步骤2)中，所述混合盐溶液中混合盐和高岭土的质量比为0.4
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0.9∶1
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2。
[0014]作为优选，步骤2)中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于纤维素水解的Cu
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Zn
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Al类水滑石/高岭土复合催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将CuSO4·
5H2O、ZnSO4·
7H2O、Al2(SO4)3·
18H2O配制为混合盐溶液；2）向步骤1）所得混合盐溶液中加入高岭土，搅拌均匀，再超声分散均匀；3）将步骤2）所得混合溶液转移至反应釜中进行水热处理；4）将步骤3）所得产物水洗至中性，干燥，研磨成粉末，即得到Cu
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Zn
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Al类水滑石/高岭土复合催化剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，CuSO4·
5H2O、ZnSO4·
7H2O、Al2(SO4)3·
18H2O中Cu、Zn和Al元素的摩尔比为1.0
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2.0∶1.0
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2.0∶0.2
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0.8。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述混合盐溶液中混合盐和高岭土的质量比为0.4
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0.9:1
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【专利技术属性】
技术研发人员：童东绅，徐节速，潘锋，
申请(专利权)人：浙江工业大学温州科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：