[发明专利]一种磁性催化剂的制备及其催化纤维素脱水的应用

说明书

本发明涉及一种磁性催化剂的制备及其催化纤维素脱水的应用。该催化剂的制备方法为：利用化学沉淀法制备纳米Fe₃O₄等磁性内核，然后采用水解法得到SiO₂或TiO₂为中间层包裹的磁性颗粒，最后采用共沉淀法将多元复合氧化物(ZrO₂、Al₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂其中的两个或三个组分)包覆于磁性颗粒表面，从而得到ZrO₂‑Al₂O₃@SiO₂@Fe₃O₄等磁性催化剂。该催化剂用于磁感应加热反应器中催化纤维素脱水反应制备5‑羟甲基糠醛。本发明制备的磁性催化剂可以在可控的磁场下高度均匀分散，磁感应加热为定点、定位加热，其热量来源于交变磁场，具有高效性，可避免局部过热现象的发生，从而促进纤维素脱水反应的平稳进行，得到高附加值的5‑羟甲基糠醛。

技术领域

本发明涉及一种基于磁感应加热反应器的催化纤维素脱水制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)的方法，尤其是一种磁性催化剂的制备与应用，属于生物质资源化利用领域。

背景技术

随着石油和煤炭等不可再生能源的不断消耗，开发清洁和可再生燃料以有效缓解能源危机已成为当务之急。清洁能源被广泛应用于化工、制药、农业等多个行业。将生物质作为一种可再生的原料，可以在短时间内解决这一问题。而纤维素是地球上最广泛、最丰富的碳基体前驱体，可以转化为许多高附加值的产品，其中之一是5-羟甲基糠醛(5-HMF)，这是一种非常重要的平台化学物质，可以转化成多种高附加值化学品，因此开发出一种高效、廉价的催化剂对提高纤维素利用率和羟甲基糠醛的收率具有重大意义。传统的纤维素脱水反应一般在高温高压的间歇反应釜中进行，通过加入高效催化剂和溶剂催化纤维素降解脱水生成5-羟甲基糠醛，但是该工艺存在催化剂分散不均匀、副产物复杂、能耗高等问题。

电磁感应加热的原理是感应加热电源产生的交变电流通过感应器(即线圈)产生交变磁场，导磁性物体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生交变的电流(即涡流)，涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。相比传统的电阻丝加热方式，磁感应加热反应器是通过电磁感应使料筒内部金属管自身发热，加热速度快，热利用率高达95％，节电效果可达到50％以上，而且能够充分、均匀的给原料加热，防止温度不均带来的产物分解，从而提高产品质量。

针对电磁感应加热的优异特性，本发明构建了一种以Fe₃O₄等磁性粒子为内核，将SiO₂或TiO₂包裹于磁性内核外，最后在表面包覆ZrO₂、Al₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂等金属氧化物的磁性催化剂结构，并将其应用于在磁感应加热反应器中的纤维素脱水反应。该磁性催化剂既结合了固体酸催化剂高催化活性的优点，又克服了催化剂扩散限制的缺点，同时具有独特的磁性分离回收特性，优化了反应工艺。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种磁性催化剂的制备及其催化纤维素脱水的应用，为高效催化纤维素制备5-羟甲基糠醛提供一种新的途径，尤其是一种磁性催化剂的制备方法及其在磁感应加热反应器中的应用。

技术方案：本发明公开了一种磁性催化剂的制备方法，所述催化剂以Fe₃O₄磁性粒子为内核，将SiO₂或TiO₂为中间层包裹于磁性内核外，最后在磁性粒子表面包覆多元复合氧化物，其具体操作步骤如下：