[发明专利]一种固体纳米催化剂及其在纤维素水解中的应用

说明书

  

技术领域

本发明属于催化剂制备和应用技术领域，具体涉及一种新的固体纳米催化剂。同时，本发明还涉及该固体纳米催化剂在纤维素水解中的应用。

背景技术

由于化石能源逐渐枯竭、能源需求不断增加和环境保护日益重要等因素的影响，人们越来越认识到寻求清洁、可再生能源的迫切性。联合国工业发展组织曾在维也纳组织乙醇专题讨论会上表明: “乙醇应该被当作永久的和可供选择的燃料和化工原料来源”。

随着燃料乙醇的工业化生产，以巴西，美国和中国为主的燃料乙醇生产国，生产原料大都为甘蔗、玉米等农作物，导致能源生产与人“争食”、“争土地”的问题。所以，国内外鼓励发展非粮作物为原料开发燃料乙醇，中国国家发展改革委员会也曾颁布《关于促进玉米深加工业健康发展的指导意见》，要求不再建设新的以玉米为主要原料的燃料乙醇项目。为此近年来一些国家开始尝试利用生物质资源生产液体燃料。其中由木质纤维素生产的燃料乙醇以其可再生性和无污染性等特点而被公认为是最有工业应用前景的可再生能源之一，得到了广泛的研究。但由于纤维素材料的结构性质非常复杂，所以纤维素水解工艺的产业化一直受到制约。

目前应用于纤维素水解的方法主要有：生物酶水解、液体酸水解和负载催化剂水解法。王玉高等研究发现：浓酸水解，糖的回收率高，但反应时间长，酸回收工艺复杂，同时对设备腐蚀严重；稀酸水解反应温度高，水解液中有害副产物多，糖化率低；生物酶水解可在常温下进行，能耗低，酶的选择性高，但生物酶水解时间长，酶的使用寿命短。CN 1109100A公开了一种酸水解植物纤维素的方法，该工艺包括混合、稀释、糖化去酸等工艺，并将反应终产物作为微生物发酵的底物，反应周期长且水解液对微生物有抑制作用。CN 101428213A公开了碳负载贵金属催化剂催化水解纤维素，其催化活性较高且容易分离，但由于该催化剂的负载贵金属容易脱落且制备成本较高等因素的影响，使得该催化剂商业化生产遇到困难。

根据镁铝水滑石特殊的物理结构和化学性质，利用其阴离子可交换性、阳离子可调换性和高效催化活性等特点，经过碱性水溶液活化镁铝水滑石，制备一种具有较高催化活性的固体纳米催化剂，并将该催化剂应用于纤维素水解技术，目前还没有该方面的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用镁铝水滑石制备得到的具有较高催化活性的固体纳米催化剂。

本发明的目的还在于提供所述固体纳米催化剂在纤维素水解中的具体应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

除非另有说明，本发明所采用的百分数均为质量百分数。

一种固体纳米催化剂，由下述方法制备得到：

（1）按金属离子的摩尔比 Mg: Al = 1～3:1、沉淀剂与金属离子的摩尔比 沉淀剂:金属离子 = 1～9: 1、沉淀剂与水的摩尔比水 : 沉淀剂 =5～20 : 1，配制金属盐溶液；

（2）待金属离子、沉淀剂与水均匀混合后，在25～105℃下反应2～12 h；

（3）将反应液置于105℃条件下静置12 h；

（4）反应液通过离心获得沉淀物即为镁铝水滑石，用去离子水洗涤镁铝水滑石至滤液为中性；

（5）将镁铝水滑石置于pH值8～14，温度25～200℃的碱性水溶液中活化1～10 h，再用去离子水洗涤沉淀物至滤液为中性，干燥并粉碎至粒径<100μm，即得所需的固体纳米催化剂。

所述的金属离子由硝酸盐、硫酸盐、氯化盐的一种或几种提供。

所述的沉淀剂为尿素、氢氧化钠、氢氧化钾的一种或几种。

所述的碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙的一种或几种。

所述的固体纳米催化剂在水解纤维素中的应用，具体包括以下步骤：

（1）将纤维素粉末与水按质量比1: 2～1: 15均匀混合，制成匀浆液；

（2）匀浆液在10～50 min内升温至100～300℃，加入所述的固体纳米催化剂，催化剂与纤维素粉末的质量比为0.1:1～1:1，设定搅拌速率50～600 rpm，催化反应0.1～24 h完成纤维素的水解。

所述的纤维素粉末<100 μm。

相对于现有技术，本发明有如下优点:

1．本发明利用镁铝水滑石的阴离子可交换性，通过在碱性水溶液中活化，制备出具有高催化活性的固体纳米催化剂，该催化剂不溶于水，容易与纤维素水解液分离，并且该催化剂结构稳定，金属离子不易脱落。