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MIL-53骨架亲/疏水性质和孔结构调控及其对果糖脱水制备HMF的色谱分离研究

批准号:
21706155
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
24.0 万元
负责人:
罗群兴
依托单位:
学科分类:
生物质转化与轻工制造
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘畅、王建、张元宝、郎洋、张晓康

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
5-羟甲基糠醛(HMF)是生物质能源转化为化学品和燃料过程中的重要平台化合物之一。提高HMF产率和实现其从果糖脱水反应体系中的高效分离是生物质应用的技术难点。针对上述问题,本项目提出采用色谱分离技术将HMF从果糖脱水体系中高效分离。根据HMF和副产物之间亲/疏水性质和分子几何构型的特点,选择金属有机骨架材料MIL-53作为吸附剂,从分子水平对其骨架亲/疏水性质和孔结构进行精准调控,优化吸附剂和待分离组分之间关键参数的匹配性,创制一种高效的HMF吸附分离材料。通过吸附热力学、动力学的研究以及分子光谱表征技术揭示吸附本质和吸附剂-吸附质之间的作用机制,结合连续流动固定床吸附器中建立的技术参数,强化色谱分离工艺,获得高纯度HMF化合物。本项目的开展将为果糖脱水反应-分离的过程强化提供技术支撑,同时进一步推动生物质平台化合物生产分离新技术的创新。
英文摘要
5-Hydroxymethyl furfural (HMF) is one of paramount platform chemicals for converting biomass to chemicals and fuels. At present, the key challenge in application of biomass is to enhance HMF yield and separate it efficiently from fructose dehydration process. In this project, the chromatographic separation technology is proposed to complete the aforementioned target. On the basis of typical characteristic in hydrophilicity/hydrophobicity and geometrical configuration of HMF and other by-products, metal-organic framework MIL-53 is employed as adsorbent. Moreover, the accurate tailoring in hydrophilicity/hydrophobicity and pore structure is conducted from molecular-lever to optimize key parameters in compatibility of adsorbent and other separation compositions. The resulting an effective material toward HMF adsorptive separation is developed. The adsorption nature and interaction mechanism of adsorbent-adsorbate are revealed by the systematic studies in adsorption thermodynamics, kinetics, and spectroscopic techniques. Furthermore, the technology in chromatographic separation process is intensified through relating the technical parameters obtained from continuous-flow fixed-bed equipment. The resulting HMF compound with high purity can be obtained. The knowledge gained from this project will provide a technical support for the process intensification of dehydration reaction and separation. Meanwhile, it would drive the technological innovation in production and separation of platform chemicals.
酸催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛(HMF)是生物质能源转化为液体燃料和高值化学品的关键技术之一。但是,该过程受到热力学平衡和副反应(HMF水合和分子间缩合)的限制,导致其产率较低。因此,如何从果糖脱水体系中高效分离HMF是实现生物质能源转化的关键问题之一。为解决上述问题,本项目提出采用色谱分离技术将HMF分子从果糖脱水混合体系中高效分离。通过金属有机骨架材料吸附剂模型体系的构筑,建立并发展了骨架亲-疏水性质和孔结构的调控方法,阐明了吸附剂-吸附性能之间的构-效关系,提出大的比表面积和孔体积、疏水的表面环境和强度适中的相互作用有利于HMF的吸附分离;创制了一种高选择性、高吸附性能的中空多孔芳香聚合物(H-PAP)吸附材料,强化了HMF选择吸附性能,实现了HMF从酸催化果糖脱水混合溶液中的吸附分离,获得纯度为94.4%的HMF化合物;结合量化计算和吸附等温线,揭示了H-PAP材料对HMF的吸附机制,提出HMF与H-PAP材料首先通过 π-π相互作用,聚集在吸附剂的弯曲表面形成单分子层覆盖,随着浓度的增大,驱动力增加,HMF逐渐扩散到吸附剂表面的聚合物壳层,再扩散至吸附剂内部空腔,直到吸附动态平衡;发现H-PAP材料在固定床吸附中存在较大的传质阻力,且容易发生床层堵塞。总体而言,本项目取得的学术性研究结论和发现存在的问题,为高性能HMF吸附材料的靶向设计和吸附性能的优化提供理论基础,同时为后续果糖脱水混合溶液中HMF的色谱分离研究提供参考依据。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Hybridization of metal–organic frameworks and task-specific ionic liquids: fundamentals and challenges
金属有机框架和特定任务离子液体的杂化:基本原理和挑战
DOI: 10.1039/c7qm00416h
发表时间: 2018-02
期刊: Materials Chemistry Frontiers
影响因子: 7
作者: [Qun-Xing Luo, Bowen An, Min Ji, Jie Zhang]
通讯作者: Jie Zhang
DOI: 10.1016/j.micromeso.2018.03.011
发表时间: 2018
期刊: Microporous and Mesoporous Materials
影响因子: 5.2
作者: [Tongtong Wang, Xuedan Song, Qun-Xing Luo, Xiaodong Yang, Siying Chong, Jie Zhang, Min Ji]
通讯作者: Min Ji
DOI: 10.1016/j.cej.2018.10.029
发表时间: 2019
期刊: Chemical Engineering Journal
影响因子: 15.1
作者: [Yuan-Bao Zhang, Qun-Xing Luo, Mei-Heng Lu, Dan Luo, Zhong-Wen Liu, Zhao-Tie Liu]
通讯作者: Zhao-Tie Liu
Catalytic function of VOx/Al2O3 for oxidative dehydrogenation of propane: support microstructure-dependent mass transfer and diffusion
VOx/Al2O3 对丙烷氧化脱氢的催化功能:支持微观结构依赖性传质和扩散
DOI: 10.1039/c8cy00564h
发表时间: 2018-10
期刊: Catalysis Science & Technology
影响因子: 5
作者: [Qun-Xing Luo, Xiao-Kang Zhang, Bo-Li Hou, Jian-Gang Chen, Chao Zhu, Zhong-Wen Liu, Zhao-Tie Liu, Jian Lu]
通讯作者: Jian Lu
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    Lewis酸性MOF模型催化剂上葡萄糖异构和差向异构反应机制及路径调控
    • 批准号:
      --
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      60万元
    • 批准年份:
      2021
    • 负责人:
      罗群兴
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金