生物质和塑料加氢脱氧制备燃料和化学品的双金属催化剂研究进展

在全球致力于实现碳中和的大背景下,生物质和废弃塑料的高值化利用已成为科研领域的研究热点.加氢脱氧反应(HDO),作为实现这一目标的重要途径之一,通过精准解离C-O/C-C键,为生产燃料和化学品提供了有效方法.在HDO过程中,C-O键的氢解及不饱和键的氢化是主要步骤,而C-C键的氢解则是需要避免的副反应.与简单的氢化反应相比,HDO过程需要具有双功能特性的催化剂,特别是当目标产物为含氧化合物时,催化剂的区域选择性至关重要.近年来,双金属催化剂在生物质及其衍生物以及含氧塑料废弃物和聚合物的HDO过程中的应用受到广泛关注.通过深入理解金属纳米颗粒与金属氧化物之间的协同作用和强相互作用,双金属催化剂的理性设计取得了显著进展.特别是,部分金属氧化物(如ReO_(x),WO_(x),MoO_(x),FeO_(x))与贵金属(如Ir,Pt,Ru)之间存在的强相互作用,不仅促进了C-O键的断裂,还有效保留了C-C键,为催化剂的高活性和高选择性奠定了基础.通过调整催化剂组成、使用小比表面积的载体等方法,可以进一步优化催化剂性能.本综述聚焦于金属氧化物改性的贵金属催化剂在HDO反应中的最新研究进展,特别是总结了Ir、Pt和Ru基催化剂在HDO反应中的应用.由于这类催化剂的结构和性能能够精确控制,并且每种催化剂都具备独特的选择性,因此被广泛应用于生物质衍生物和塑料废弃物的HDO过程中.本文总结了双金属催化剂的结构特点、HDO反应机制、催化剂结构与催化性能之间的关联,以及这些催化剂在高附加值化学品生产中的实际应用.我们以甘油和1,2-丙二醇的氢解为模型反应,深入探讨了基于Ir、Pt和Ru的双金属催化剂的催化性能、结构特点和催化机理.这些催化剂在温和条件下实现了高效的氢脱氧反应,有效抑制了C-C键的断裂,并优化了化学选择性和区域选择性.双金属催化剂在生物质精炼和塑料/聚合物转化方面展现出广泛的适用性.本文还介绍了其在木质纤维素衍生原料、羰基化合物以及聚碳酸酯等塑料中的应用.然而,双金属催化剂的稳定性在实际应用中仍面临挑战,如金属烧结、浸出、积碳及金属-金属氧化物界面的重构等问题.因此,未来的研究重点是开发高效的再生方法和高度稳定的催化剂.综上所述,金属氧化物改性的贵金属催化剂在HDO反应中展现出巨大潜力.通过深入研究和优化,有望为生物质和塑料的高值化利用提供有效解决方案.本文旨在为双金属催化剂的理性设计和优化提供参考,以期推动生物质和塑料的高值化利用技术的进一步发展和应用.

多级孔分子筛在生物质催化热裂解制备芳烃中的研究进展

芳烃是石化工业的一种重要基础原料,目前主要来源于石油和煤焦油。随着化石能源的日益枯竭、全球环境问题的日益严重和芳烃需求量的不断增长,芳烃的传统生产工艺压力越来越大。生物质催化热解制备芳烃技术由于其绿色、原料来源广以及可持续等优点,近年来备受关注。微孔分子筛因其大比表面积、强酸性、微孔择形性和良好的水热稳定性等优点成为理想的催化热解催化剂,但是微孔分子筛扩散阻力大、易积碳致使催化剂寿命低,使其在生物质催化热解制备芳烃的应用方面受到很大限制。在微孔分子筛中引入介孔得到多级孔分子筛,可以有效解决分子传质问题,并且保留微孔的强酸性以及择形选择,提高催化反应活性的同时提高催化剂的使用寿命,因此,多级孔分子筛成为了近年来生物质催化热解的热点。本文中,笔者详细综述了近年来生物质催化热裂解制备芳烃过程中所需要的原料和反应机制,重点综述了多级孔分子筛的优势以及其在生物质催化热解制备芳烃方面的应用前景和研究进展,最后总结了该技术面临的挑战和发展方向。

生物质焦油处理方法研究进展

生物质气化技术是目前常见的生物质能转化技术,其过程中产生的焦油不仅有腐蚀设备、堵塞管道、造成二次污染等危害,而且会降低生物质气化效率。文章介绍了生物质焦油的组成、危害及其处理方法,重点介绍了最近几年里催化裂解法和等离子体法处理焦油的研究进展,并比较了不同方法的优缺点。物理法具有设备和操作流程简单的优点,但存在焦油自身能量得不到利用和二次污染等问题。热裂解法可将焦油转化为气体,具有增加产品气能量含量的优点,但对操作温度的要求高,耗费较大。催化裂解法的温度低于热裂解法,是目前研究最活跃的领域,但仍普遍存在催化剂稳定性差、易失活、价格高等难题。等离子体法是近年来新兴的焦油处理方法,包括冷等离子体法和热等离子体法。其中,热等离子体法具有高温、高焓、高电子密度的特点,为生物质焦油处理技术的发展提供了新的可能。

多级孔HZSM-5分子筛催化快速热解生物质制芳烃

采用酸和/或碱处理法制备了一系列多级孔HZSM-5分子筛,采用XRD、N2吸附、XRF、TEM、27AlMAS NMR和NH3-TPD等表征手段对其孔道结构和酸性进行表征。表征结果表明,采用碱处理方法,可获得孔径集中于3~6nm的介孔结构,通过改变酸、碱处理次序,可调变酸中心数量和强酸/总酸中心比例。在Py-GC/MS装置上,以纤维素和水稻秸秆为原料,研究多级孔分子筛结构对催化快速热解(CFP)制芳烃反应的影响。反应评价结果表明,同商品级HZSM-5相比,采用先碱后酸处理获得的多级孔HZSM-5分子筛(HZ-OH/H),可将纤维素CFP芳烃碳产率由32.3%提高至43.6%,可将水稻秸秆CFP芳烃碳产率由23.0%提高至30.8%。多级孔HZ-OH/H分子筛的孔道结构和酸中心分布特征,对开发应用于生物质制芳烃的高效工业催化剂具有借鉴意义。

二氧化碳等离子体处理生物质焦油

生物质气化过程中副产的焦油不仅有腐蚀设备、堵塞管道等危害,而且会降低生物质气化效率,传统的物理处理与热裂解处理方法存在诸多不足。本文基于旋转弧热等离子体反应装置,以二氧化碳作为等离子介质,选取苯及苯萘混合物作为生物质焦油的模型化合物进行了气化实验,实现了向合成气的高效转化(碳收率可达到90%以上),初步显示了该路线的可行性。进一步分析了真实生物质焦油的物质组成,考察了二氧化碳等离子体对焦油的气化性能,焦油内的水分可作为气化剂,调节合成气中H2/CO的比例(0.3~1)。上述结果为生物质焦油无害化、资源化利用技术的发展提供了新的思路。

生物质利用技术

化石资源是现代人类社会赖以生存的物质基础。随着经济的快速发展，石油、煤、天然气等化石资源日益枯竭，导致化学品生产的原材料陷入危机。生物质是地球上最为丰富的可再生资源，是自然界碳循环过程的重要环节，兼具可再生性与清洁性，是取代化石资源成为化学品生产原料的理想替代物。发展以生物质为基础的新一代化学品制备技术——生物质化工已成为国际社会的共识。

低温等离子体灭菌及生物医药技术研究进展

低温等离子体的生物学效应包括对微生物的致死作用和对动物细胞的刺激作用,分别造就了一批灭菌技术和临床医药技术。本文介绍了等离子体灭菌技术在医疗器械、水和空气净化、食品和包装材料处理等方面的应用。其中已商业化的医疗器械灭菌器主要分低气压和常压两种,低气压等离子体灭菌器的灭菌体积较大,常压等离子体灭菌器的优点则是结构简单和便于操作。等离子体灭菌技术用于水、空气、食品等领域由于能耗、效率、化学残留等问题尚未商业化。在医药技术方面,近十年来开发的等离子体技术和装备成功运用于龋齿、皮肤、伤口、癌症等的处理,部分已进入临床应用。将来的研究重点在于明确等离子体与细胞之间的相互作用机理,并开发出更高效、实用的用于各相关行业的等离子体技术和装备。

MALDI-TOF MS基质HCCA与含巯基生命物质加成反应的质谱研究

采用基质辅助激光解吸飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)和电喷雾质谱(ESI-MS)研究含巯基的生命物质(氨基酸、肽及蛋白质)与MALDI常用基质α-氰基-4-羟基肉桂酸(HCCA)之间的加成反应,并分别考察了其在酸性、弱酸性和碱性条件下的反应情况。结果表明,在碱性条件下,含巯基的生命物质易与HCCA发生加成反应,使待测物在质谱图中产生189.0 u的质量数迁移。此外,使用高分辨质谱分析加成产物,并通过串联质谱分析进一步确认其为共价结合产物。此研究为确定MALDI基质与含巯基的生命物质之间的加成反应提供了依据,以期减少质谱中基质对含有巯基化合物测试的干扰,为基质的选择提供参考。

超大孔聚丙烯酰胺晶胶微球的制备及其生物相容性和吸附性能

利用反相悬浮结合溶剂结晶致孔法制备了具有超大孔隙、球形度良好的聚丙烯酰胺晶胶微球，晶胶微球平均粒径为234.1μm，孔径约为10～50μm。采用原位接枝法，将2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸（AMPSA）接枝到晶胶微球孔隙表面上，得到了带有磺酸基团的阳离子交换晶胶微球。考察了晶胶微球的生物相容性和吸附蛋白质及重金属离子Cu2＋的性能，结果表明：在大肠杆菌培养液中，添加晶胶微球，对大肠杆菌的生长影响不大。接枝了AMPSA的晶胶微球表现出更强的吸附Cu2＋的能力，吸附容量达到1.14 mmol·g-1。同时，接枝后的晶胶微球也具有一定吸附蛋白质的能力，溶菌酶的吸附容量达到54.5 mg·g-1。因此，该大孔晶胶可望在微生物固定化、生物分离和重金属离子吸附中会发挥更大的作用。

生物基聚酯——聚(2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯)合成与改性的研究进展

与石油基聚酯——聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)相比,生物基聚酯——聚(2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯)(PEF)具有更优异的物理-力学性能,在高阻隔性包装材料、高性能纤维和工程塑料等领域具有广阔的应用前景。然而,PEF及其关键单体的合成技术仍存在很大的挑战,尚未实现工业化;同时,PEF结构-性能的研究也表明其性能上存在一些缺陷,需要进行改性,以促进PEF的加工和应用。本文中,笔者总结近年来PEF的合成技术、结构性能和改性研究的进展,并展望PEF基聚酯新材料的发展趋势和前景。

基于5-酮基-D-葡萄糖酸生物制造L-(+)-酒石酸的研究进展

利用生物质可再生资源为原料生产L-(+)-酒石酸符合当前国际的需求。从生产方式、发酵底物及工艺方面综述了L-(+)-酒石酸的研究情况,并指出糖质发酵法生物制造L-(+)-酒石酸的潜在优势,讨论了其中存在的问题、反应的机理以及前体物质的研究情况,并展望了今后的研究方向。

生物滴滤塔去除硫醇和BTEX的性能及特性研究

针对石油化工行业排放的恶臭硫醇和苯、甲苯、乙苯及二甲苯(benzene,toluene,ethyl benzene and xylenen,BTEX)污染物,采用生物法对其进行去除。在生物滴滤塔(biotrickling filter,BTF)中接种二甲苯降解菌Pandoraea sp.WL1和硫醇降解菌Pseudomonas sp.WL2,对硫醇和BTEX的去除性能、动力学特性及微生物群落特性进行详细研究。运行结果表明,优选菌的接种能大大缩短BTF的启动时间。宏观动力学分析表明,该体系混合VOCs的最大去除能力为210.7g·m^-3·h^-1。16S rRNA测序表明,在经过长时间混合底物的通入后,Hydrogenophaga(17.2%)和Pseudomonas(8.1%)取代Pandoraea成为BTF内的主导菌属。Thiobacillus(4.5%)和Pseudomonas(8.1%)菌属在恶臭硫醇的生物降解中起关键作用。

Raney Ni催化生物基糠醛还原胺化合成糠胺

生物质衍生物糠醛还原胺化是合成糠胺的一种有效方法。本文以糠醛为原料、氨水为氨源,使用商业Raney Ni催化糠醛还原胺化合成糠胺,考察了氢压、温度、n(糠醛)/n(氨水)、溶剂、催化剂用量等条件对反应的影响。实验结果表明:在1,4-二氧六环溶剂中,0.03 g Raney Ni、n(糠醛)/n(氨水)=1/2、130℃、2.0 MPa H_(2)条件下反应3 h,糠醛转化率100%,糠胺选择性96.3%。与传统方法相比,该工艺实现了非贵金属催化剂作用下高选择性反应,具有操作简单、低成本、收率高等优点。

高稳定性硅基杂化纤维素衍生物手性固定相的制备及其色谱拆分性能

合成了含少量3-(三乙氧基硅)丙基氨基甲酸酯的纤维素3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯衍生物(CDMPC),并采用1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷(BTSE)为偶联剂,通过溶胶-凝胶法成功制备得到新型硅基杂化手性固定相。该固定相的CDMPC含量达60%,在含有10%氯仿的流动相中保持良好的手性识别性能和机械强度。使用其拆分了多种手性化合物,拆分效果优于商品柱Chiralpak IB,其中对2,2,2-三氟-1-(9-蒽基)乙醇和反式二苯乙烯氧化物对映体的分离选择性分别达到2.99和2.48,表明该类硅基杂化类手性固定相在制备色谱领域中有潜在应用前景。

二甲苯异构体吸附分离研究进展

二甲苯异构体的分离与纯化是石油化学工业的重要过程之一,但二甲苯异构体的结构和性质极其接近,常规精馏和深冷结晶法分离能耗高、生产效率低。模拟移动床色谱是主流的二甲苯异构体分离技术,但作为吸附剂的分子筛在吸附容量和分离选择性两方面均存在不足。金属有机框架和超分子材料具有组装自由、结构多样和性质可调等优点,可通过构建极性孔环境或精准设计孔道尺寸与形状实现二甲苯异构体的高效辨识与分离。本文综述了金属有机框架和超分子材料在二甲苯异构体吸附分离中的研究进展,从静电作用、尺寸筛分和形状筛分等方面探讨了二甲苯异构体分离的内在机制,总结了金属有机框架在二甲苯分离领域存在的问题和局限,并对未来发展方向进行了展望。

芳香烃/环烷烃吸附分离材料研究进展

吸附法由于其节能环保的特性有潜力替代萃取精馏成为分离同碳数芳香烃/环烷烃的新方法,目前采用的吸附分离材料已从传统的沸石分子筛发展到包括金属-有机框架材料(MOFs)、共价有机框架(COFs)和多孔分子晶体(PMCs)在内的新型多孔材料,体现出优异的选择性、优先吸附芳香烃或环烷烃的能力。本文综述了近年来MOFs、COFs和PMCs在苯/环己烷和甲苯/甲基环己烷分离中的研究进展,重点介绍了三类材料结构的设计思路、吸附分离性能及其机理,包括热力学平衡、分子排阻等两类不同的机理。在取得较大研究进展的同时,该领域也存在一些较为突出的问题,如对吸附质扩散传质规律和混合物固定床分离性能研究不足、对材料稳定性和杂质敏感性关注较少、多孔材料结构复杂、经济性有待提升等,在未来的研究中需予以重视。

离子交换层析分离单抗电荷异质体的模型辅助过程优化

针对单抗电荷异质体分离,采用离子交换层析机理模型,预测洗脱分离行为,辅助工艺条件优化。设计了校准实验,拟合得到模型参数,模型计算与实验吻合良好,具有良好的预测能力。利用模型分析比较了不同洗脱方式,得到最优的两步阶跃洗脱方案,具有较高的收率,但发现该分离过程对盐浓度极为敏感。进一步针对第一步洗脱盐浓度进行过程稳健性约束的过程优化,发现盐浓度为108.5 mmol/L时过程稳健性增强。经实验验证,两步阶跃洗脱收率最高可达到85.3%,稳健约束优化后第一步等度洗脱盐浓度操作区间增大为98.9~117.5 mmol/L。结果表明,模型辅助的工艺优化可以进行复杂条件分析,促进难分离体系的分离过程优化,并能够针对过程稳健性给出合理解决方案。

模型辅助的单抗连续捕获工艺分析和过程优化

连续流层析具有提高过程产率和介质利用率、降低生产成本等显著优势,在抗体药物生产中具有良好的应用前景。但是,连续流层析模式多样,影响因素众多,传统的基于实验的过程开发方法存在困难。将模型辅助方法引入到连续流层析亲和捕获过程,建立了模型辅助过程优化方法,系统比较了两柱、三柱和四柱连续捕获模式,确定了最佳模式和操作条件,并经实验验证。结果表明:模型预测与实验结果基本一致;与批次层析相比,四柱连续捕获的过程产率提高了27.2%,介质利用率提高了50.1%,且产品质量稳定。由此说明,模型辅助方法有助于确定最佳连续捕获模式和操作条件,促进过程优化,加速抗体药物连续生产过程的工业实现。

生物质基多元醇的多相催化选择性氢解

由生物质资源衍生得到的糖醇是一种可再生碳原料,并可以通过多相催化技术转化为高附加值的大宗化学品.因此,设计与制备具有高活性、高选择性和高稳定性的多相催化材料对于实现糖醇的定向转化具有重要意义.近年来,有关糖醇选择性氢解制备高附加值的一元醇、二元醇等已有许多报道,其中典型的Ir-ReOx和Pt-WOx催化剂在性能上有了进一步突破.此综述详细介绍了糖醇的选择性转化路径,并从金属-金属氧化物的相互作用、催化剂的构效关系和糖醇C—O键断裂的机理等方面进行归纳,并对糖醇定向转化的发展进行讨论与展望,这些对于新型多相催化材料的设计以及糖醇转化潜在的工业应用具有意义.

多元介孔MOFs:通过调节表面亲水/疏水性实现酶固定化的多功能平台

作为高效的生物催化剂,酶在食品加工、医药制造、化学工业和能源开发等众多领域发挥着重要作用.然而,游离状态的酶由于存在稳定性差、易失活、难以回收利用及不适用于连续化生产等问题,限制了其广泛应用.为了解决上述难题,人们探索发展了固定化酶技术.固定化酶不仅保留了原有的催化活性,而且在稳定性方面有了显著提升,从而极大地提高了酶的利用效率.随着固定化酶材料和酶工程领域的不断发展,固定化酶技术为酶的应用开辟了更广阔的前景.沸石-咪唑骨架材料-8(ZIF-8)作为一种金属-有机骨架(MOFs)材料,因其独特的结构特性而被广泛用作酶固定化载体.然而,ZIF-8的微孔结构和固有的疏水性,以及前体物2-甲基咪唑(2-MeIm)的质子化现象,常常影响固定化酶的活性.为克服这些限制,本文采用多元配体竞争和孔隙工程相结合的策略,设计并制备了一种具有可调节亲水/疏水表面的新型多元介孔MOFs(mMOFs),并用作酶固定化载体.在mMOFs的制备过程中,采用亲水性和配位能力更强的3-甲基-1H-1,2,4-三唑(3-MTZ)和5-甲基四唑(5-MTA)配体,以部分替代传统的2-MeIm配体.随后,这些多元配体(包括2-MeIm,3-MTZ和5-MTA)与七水硫酸锌结合,在甲醇溶液中通过自凝聚作用形成透明的胶体溶液,进而完全溶解在水中.在此过程中,七水硫酸锌发挥了软模板的作用,引导介孔的形成,从而成功制备出新型多元介孔mMOFs.接着,利用这些mMOFs作为酶固定化的载体,固定了辣根过氧化物酶(HRP)和葡萄糖氧化酶(GOx),并详细研究了其催化性能.结果表明,与传统的ZIF-8载体相比,以mMOFs为载体的固定化酶展现出了更高的酶活性和稳定性.催化性能提升主要归因于mMOFs的亲水性和介孔结构改善了酶和底物间的传质,同时2-MeIm的质子化效应减弱也为酶提供了优良的微环境,稳定了酶的构象.综上,本文采用多元配体竞争与孔隙工程相结合的策略,成功构建了一种具有可调节亲水/疏水表面的新型多元介孔mMOFs,并用于酶固定化,所得固定化酶表现出较好的催化性能.通过深入的研究,揭示了该固定化酶表现出良好催化性能的作用机制,为可控设计制备性能优越的、以MOFs为载体的固定化酶提供了新思路,并为进一步拓宽MOFs材料的应用范围提供了参考.