intTypePromotion=1
ADSENSE

Bản báo cáo niên luận khoa học: Các phương pháp tổng hợp 5-hydroxymethylfurfuran để sản xuất nhiên liệu sinh học

Chia sẻ: Chu Kim Ngan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:18

118
lượt xem
17
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bản báo cáo niên luận khoa học "Các phương pháp tổng hợp 5-hydroxymethylfurfuran để sản xuất nhiên liệu sinh học"giới thiệu đến các bạn những nội dung tổng quan về nhiên liệu sinh học, các phương pháp tổng hợp 5-hydroxymethylfurfural,... Mời các bạn cùng tham khảo để có thêm tài liệu phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bản báo cáo niên luận khoa học: Các phương pháp tổng hợp 5-hydroxymethylfurfuran để sản xuất nhiên liệu sinh học

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC  Trần Lan Thanh Hương CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP  5­HYDROXYMETHYLFURFURAN ĐỂ SẢN XUẤT  NHIÊN LIỆU SINH HỌC Niên luận khoa học hệ chính quy      Ngành Công nghệ kĩ thuật Hóa học          (Chương trình đào tạo chuẩn) Giảng viên hướng dẫn: TS. Ngô Thị Thanh Vân Hà Nội – 04/2015 1
  2. Lời cảm ơn! Bản báo cáo niên luận khoa học này được thực hiện tại Bộ môn  Hóa công nghệ – Khoa Hóa học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại  Học Quốc Gia Hà Nội. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới  TS. Ngô Thị Thanh Vân đã giao đề  tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong thời gian làm Niên luận khoa học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, cán bộ kĩ thuật bộ môn  Hóa học công nghệ và các bộ môn khác đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá  trình thực hiện đề tài. Hà Nội, ngày 26/04/2015 Sinh viên      Trần Lan Thanh Hương 2
  3. Các cụm từ viết tắt trong bài: NLSH: Nhiên liệu sinh học DMF: 2,5­dimethylfural HMF: 5­hydroxymethylfurfural 3
  4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt cũng như  các mối lo ngại về môi trường do các loại động cơ sử dụng các nhiên liệu từ  các nguồn năng lượng này gây nên. Nếu tiếp tục phụ thuộc vào nguyên liệu dầu  khí dẫn đến những vấn đề về môi trường phát sinh như ô nhiễm không khí, tăng  hiệu ứng nhà kính,… Kể từ khi tiêu thụ toàn cầu của dầu mỏ dạng lỏng tăng  gấp ba lần trong những năm tiếp theo, nhiều chính sách đã được ưu tiên khám  phá nguyên liệu thay thế để tránh những tình huống đáng tiếc nhất của cuộc  khủng hoảng năng lượng trong tương lai. Trong bối cảnh này, sinh khối có  nguồn gốc từ nhiên liệu sinh học tiềm năng to lớn như tính năng tái tạo năng  lượng. Sinh khối đại diện cho một nguồn tài nguyên dồi dào carbon tái tạo và  tăng cường việc sử dụng nó có thể giải quyết một số thách thức. Những tiến bộ  trong quá trình hóa học dẫn đến một khái niệm sản xuất mới để chuyển đổi  4
  5. carbohydrate và sinh khối có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo vào các hóa chất  có giá trị và các loại nhiên liệu lỏng, cung cấp bền vững sẽ dẫn đến một mô  hình sản xuất mới. Người ta ước tính rằng sau khoảng 15 năm, có đến 30% số  liệu nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất sẽ được sản xuất từ sinh khối  tái tạo. Các sản phẩm từ các nguồn tái tạo (vật liệu sợi tổng hợp, sản phẩm  tinh bột và protein có nguồn gốc) đã có mặt ở thị trường. Các chất hóa học nền  tảng có thể được sản xuất từ tinh bột và sinh khối hóa học hoặc sinh học. Các  hóa chất sinh khối sau đó có thể được chuyển đổi thành vô số các hóa chất sinh  học có giá trị gia tăng cao (phân tử có nhiều nhóm chức năng). Hiện nay, người ta dùng NLSH để tạo ra xăng sinh học là một loại nhiên  liệu lỏng, trong đó sử dụng ethanol như là một phụ gia nhiên liệu pha trộn vào  xăng thay thế phụ gia chì. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men  các chất hữu cơ như tinh bột, lignocellulose. Ethanol được pha chế vào xăng với  tỉ lệ thích hợp tạo thành xăng sinh học (ví dụ như xăng E5, E10). Tuy nhiên việc  sản xuất ethanol sinh học từ tinh bột, cây thực phẩm (NLSH thế hệ thứ nhất)  được cho là không bền vững do có thể ảnh hưởng tới an ninh lương thực,  nguồn cung không ổn định. NLSH thế hệ thứ hai đến từ lignocellulose, có sẵn  hơn nhiều và rất rẻ. Quy trình đi từ lignocellulose cũng tối ưu hơn: Lignocellulose (cellulose, hemicellulose và lignin) ­> Glucose (Fructose)  ­>5­hydroxymethylfurfural (HMF) ­> 2,5­dimethyfural (DMF). Trong khuôn khổ của bản Niên luận khoa học này, chúng tôi đưa ra tổng  quan về nhiên liệu sinh học và các phương pháp tổng hợp 5­ hydroxymethyfurfural.  . Đề tài là:  Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp 5­Hydroxymethyfurfural ứng  dụng cho nhiên liệu sinh học . 5
  6. 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC 1.1 Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn  gốc động thực vật (sinh học) như  nhiên liệu chế  xuất từ chất béo của động  thực vật (mỡ thực vật, dầu dừa..), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đâu tương...), chất thải   nông nghiệp (rơm, dạ, phân..), sản phẩm từ  công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm  gỗ thải…) 1.2 Phân loại nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau: Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương  tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu dieseltruyền thống. Biodiesel được  điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật,  mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng  cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol. Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử  dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia  chì. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ  như tinh bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp  với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử  dụng phụ gia chì truyền thống. Khí sinh học (Biogas) có thành phần chính là CH4 (50­60%) và CO2 (>30%) còn  lại là các chất khác như hơi nước, N2, O2, H2S, CO … được thuỷ phân trong môi  trường yếm khí, xúc tác nhờ  nhiệt độ  từ  20 ­ 40ºC, nhiệt trị  thấp của CH 4 là  37,71.103 KJ/m3, do đó có thể  sử  dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ  đốt  trong. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải   nông nghiệp, chủ  yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm  ở  dạng khí. Biogas có  thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí từ sản phẩm dầu mỏ. ­ Nhiên liệu rắn: gỗ, than và các loại phân thú khô. 6
  7. . 1.3 Lợi ích của việc sản xuất nhiên liệu sinh học NLSH có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đắt  đỏ, đang cạn kiệt: Do NLSH có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong các phương  tiện giao thông và các thiết bị năng lượng, triển vọng của loại nhiên liệu này là  sáng sủa, đây là loại nhiên liệu bền vững thay cho các nguồn năng lượng hóa  thạch đắt đỏ đang bị cạn kiệt.Loại nhiên liệu này có thể xuất hiện trong một  phạm vi nhất định, nhưng vẫn không khắc phục được tình trạng “đói nhiên  liệu” đang gia tăng hiện nay trên thế giới. NLSH có thể giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu: Các cây trồng nông nghiệp và các nguyên liệu sinh khối khác được coi là  các nguyên liệu góp phần làm trung hòa carbon bởi chu kỳ sống thực tế của nó,  thực vật thu CO2 thông qua quá trình quang hợp. Các nguyên liệu đầu vào sử  dụng trong quá trình sản xuất NLSH được coi là nguyên liệu tái tạo và có khả  năng làm giảm phát thải khí nhà kính (GHG).Tuy nhiên, cho dù các nhiên liệu  đầu vào tự chúng có khả năng trung hòa carbon, thì quá trình chuyển đổi các vật  liệu thô thành NLSH có thể gây phát thải carbon vào khí quyển. Vì vậy, NLSH  phải góp phần vào giảm phát thải carbon, chúng phải được chứng minh giảm  thải thực sự GHG trong tất cả chu trình sản xuất và sử dụng NLSH. NLSH có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia: Sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu có thể không những làm suy kiệt dự trữ  ngoại tệ của quốc gia, mà còn tạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lượng của  quốc gia đó. Từ khi NLSH được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản địa của  nhiều nước châu Á, loại nhiên liệu này có vai trò là nhiên liệu thay thế cho các  nhiên liệu hóa thạch có thể giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu và tăng cường an  ninh năng lượng quốc gia.Tuy nhiên, điều quan tâm là một số nước đang bị lôi  cuốn bởi nhiều hứa hẹn về an ninh năng lượng hơn và họ tiếp tục bỏ chi phí để  đảm bảo an ninh của các nhu cầu khác nữa như an ninh lương thực, an ninh về  nguồn cung cấp nước và không quan tâm tới việc bảo vệ các nguồn tài nguyên  thiên nhiên như rừng tự nhiên và sự đa dạng sinh học của chúng. 7
  8. NLSH có thể hình thành sự tham gia của các xí nghiệp nhỏ và vừa  (SMEs):  Khác với nhiên liệu dầu và khí, thậm chí là than cần phải xây dựng cơ sở  hạ tầng lớn để khai thác và xử lý, với sự tham gia của các tập đoàn lớn và các  công ty đa quốc gia, việc sản xuất NLSH sẽ không đòi hỏi đầu tư và xây dựng  các nhà máy xử lý tổng hợp lớn. Vì vậy, đầu tư và quy trình sản xuất NLSH có  thể nằm trong phạm vi SMEs có thể chấp nhận được. Dựa vào nguyên liệu đầu  vào và khả năng đầu ra, công suất của các nhà máy sản xuất NLSH có thể thiết  kế phù hợp với yêu cầu đặc thù. Các hoạt động sản xuất NLSH dựa vào các  nguyên liệu nông nghiệp hoặc các hệ thống modul có thể được thực hiện để  sản xuất NLSH phục vụ cho tiêu thụ cục bộ của các thiết bị có động cơ tại các  trang trại. Đầu tư cho NLSH có thể mở ra các cơ hội tham gia của các công ty  trong nước. NLSH có thể đóng góp vào phát triển kinh tế­ xã hội của các cộng  đồng địa phương và các ngành kinh tế đang phát triển: Vai trò của ngành nông nghiệp trang trại trong dây chuyền sản xuất NLSH  sẽ mở ra cơ hội cho các cộng đồng địa phương kết hợp hoạt động và thu được  các lợi ích nhất định để có thể tạo ra phát triển kinh tế­xã hội. Việc trồng rừng,  kích thích và thu hoạch nhiên liệu đầu vào như cây mía, ngô, sắn và dầu cọ đòi  hỏi phải tăng lực lượng lao động và các công việc thủ công. Việc mở rộng sản  xuất nông nghiệp do tăng nhu cầu các nguyên liệu thô cho sản xuất NLSH có  thể tạo ra việc làm mới và thu nhập nhiều hơn cho nông dân. Tạo cơ hội việc  làm trong sản xuất NLSH là rất lớn. Ví dụ sản xuất NLSH từ cây  JatrophaCurcas (cây dầu mè) làm nhiên liệu đầu vào được trồng như loại cây  trồng chuyên dụng để sản xuất diesel sinh học, một diện tích cây mè 10000 ha  có thể thu được 30 triệu lít dầu diesel sinh học/năm có thể tạo ra 4000 việc làm  trực tiếp. 1.4 Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học Các sản phẩm của nhiên liệu sinh học trải qua 3 thế hệ phát triển: Thế hệ thứ I   Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên được làm từ các loại cây trồng có hàm  lượng đường và tinh bột cao (sản xuất gasohol), dầu thực vật hoặc mỡ động  8
  9. vật (sản xuất Biodiesel). Tinh bột từ các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành  đường rồi lên men thành Bioethanol. Trong khi đó, dầu thực vật (được ép từ các  loại cây có dầu ) hoặc mỡ động vật được trộn với ethanol (hoặc methanol) có  sự hiện diện của chất xúc tác sẽ sinh ra Biodiesel và glycerine bằng phản ứng  chuyển hóa este. Thế hệ thứ II  Nhiên liệu sinh học thế  hệ  1 bị  hạn chế  bởi khả  năng mở  rộng diện tích đất   trồng trọt hiện nay để  trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệ  truyền thống sử  dụng để  chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành NLSH  còn bị hạn chế  bởi hiệu quả và phương pháp xử lý. Vì vậy người ta đã hướng  tới  nhiên liệu sinh học thế  hệ  2. Loại NLSH này  được sản xuất từ  nguồn   nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men thành nhiên liệu sinh học. Các  nguyên liệu này được gọi là "sinh khối xenluloza" có nguồn gốc từ   chất thải  nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình  chế  biến thực phẩm hoặc loại cỏ  sinh trưởng nhanh như  rơm, rạ, bã mía, vỏ  trấu, cỏ… NLSH thế  hệ  2 được phân loại dựa trên bản chất quá trình chuyển hóa sinh   khối:   sinh   hóa   hoặc   nhiệt   hóa.   Quá   trình   sinh   hóa   được   dùng   để   sản   xuất  ethanol hay butanol thế hệ 2 và các nhiên liệu còn lại được tạo ra cùng với quá  trình nhiệt hóa. Một số loại nhiên liệu thế hệ 2 (được tạo ra từ quá trình nhiệt   hóa) tương tự  như  các sản phẩm được sản xuất từ  nhiên liệu hóa thạch (hình   5),   ví   dụ   như:   methanol,   nhiên   liệu   lỏng   từ   quá   trình   Fischer   –   Tropsch   và  đimethylete. Thế hệ thứ III NLSH thế hệ 3 được sinh ra từ những cải tiến về công nghệ sinh học thực hiện   trên các nguồn nguyên liệu. Các loại nguyên liệu được cấy ghép và nuôi trồng   theo cách mà các khối cấu trúc của tế bào (lignin, cellulose, hemicellulose) có thể  được điều chỉnh theo các cách khác nhau. NLSH thế  hệ 3 được chế  tạo từ  các  loài vi tảo trong nước, trên đất  ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7­30 lần) hơn   nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích trồng. Sản lượng dầu trên  một diện tích 0,4 ha tảo là từ  20.000 lít/năm đến 80.000 lít/năm. Ngoài ra, loài  tảo bị  thoái hóa sinh học không làm hư  hại môi trường xung quanh. Theo  ước   tính của Bộ Năng Lượng Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849  km2 để trồng loại tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước. 9
  10. 1.4.1 Con đường tổng hợp Tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào cũng như sản phẩm đầu ra cần thiết,  ta  có 2 phương pháp tổng hợp khác nhau: ­ Phương pháp sinh học: chậm, độ tinh khiết cao. ­ Phương pháp hóa học: nhanh, độ tinh khiết phụ thuộc nhiều yếu tố. 1.4.2 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai Nhiên liệu sinh học thế hệ 1 bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích  đất trồng trọt hiện nay để trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công  nghệ truyền thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành  NLSH còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý. Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ 2. Loại NLSH  này được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men  thành nhiên liệu sinh học. Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khối cellulose”  có nguồn gốc từ  chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các  sản phẩm phụ từ quá trình chế biến thực phẩm hoặc loại cỏ sinh trưởng nhanh  như rơm, rạ, bã mía, vỏ trấu, cỏ,… Lignocellulose (cellulose, hemicellulose, lignin)  Glucose (Fructose)  5­Hydroxymethylfurfural (HMF)  2,5­dimethylfural (DMF) Có thể làm  phụ gia trong xăng hoặc tạo ra những loại sản phẩm thay thế xăng dầu. Do tầm quan trọng của HMF như là mắt xích của quy trình sản xuất  NLSH, tiếp theo ta tìm hiểu về HMF 2  CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP 5­ HYDROXYMETHYLFURFURAL 2.1  Giới thiệu chung về 5­hydroxylmethylfurfural HMF là một aldehyde thơm tự nhiên tồn tại trong cà phê, mật ong, trái cây  sấy khô, các loại nước ép trái cây và chất hương liệu. Sự tập trung của HMF  10
  11. trong các sản phẩm thực phẩm là khác nhau, ví dụ về mức HMF trong rượu  vang và các loại nước ép trái cây là 200 mg dm­3. HMF đã được coi là nguyên  liệu năng lượng sinh học, xây dựng khối hóa học và y học. HMF nắm giữ  những mong đợi đặc biệt từ những bộ khung carbon giống hệt nhau ở cellulose,  hemicelluloses và có thể phục vụ như là một nguồn nguyên liệu bền vững cho  nhiên liệu lỏng và hóa chất (hình 1). Thông thường xây dựng khối 2,5­ furandicarboxylic axit(FDCA) (1) có thể được bắt nguồn từ HMF. FDCA có thể  được sử dụng như là một thay thế cho axitterephthalic trong việc sản xuất  polyethyleneterephthalatevà polybutyleneterephthalate. Hơn nữa, việc giảm bớt  HMF có thể dẫn đến các sản phẩm như 2,5­bis(hydroxymethyl)furan (2) và 2,5­ bis(hydroxymethyl) tetrahydrofuran (3) (hình 1) mà đóng vai trò như các thành  phần alcohol trong sản xuất polyeste, cung cấp sinh khối polyme hoàn toàn có  nguồn gốc từ việc kết hợp với FDCA. Hình 1: Sản xuất HMF từ cellulose và carbohydrates, phục vụ làm nguyên liệu  cho một loạt các hóa chất và nhiên liệu lỏng. Ngoài ra, HMF là tiền thân cho 2,5­dimethylfuran (4) và 2­methylfuran (5) (hình  1) là chất lỏng quan trọng trong vận chuyển nhiên liệu. Không những thế HMF  có thể phục vụ như là một tiền thân trong quá trình tổng hợp của ankan lỏng để  sử dụng trong nhiên liệu diesel. Hơn nữa, HMF cũng có chức năng đặc biệt như  11
  12. một tác nhân chống tạo liềm mà cụ thể liên kết với tế bào hemoglobin hình  liềm (HBS) mà không có sự ức chế của huyết tương và mô protein hoặc các  trình tự không mong muốn khác,… HMF có màu vàng nhạt ở cả dạng rắn và lỏng, tinh thể hình kim, dễ bay  hơi, phân hủy ngoài ánh sáng và không khí. Trong phân tử có chứa vòng furan,  bao gồm aldehyde và nhóm chức alcol. Công thức phân tử: C6H6O3 Tên IUPAC: 5­(hydroxymethyl)­2­furaldehyde Tính chất: Khối lượng phân tử: 126.11 g/mol Khối lượng riêng: 1.29 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy: 30­34oC Nhiệt độ sôi: 114­11oC (trong điều kiện áp suất là 1 mbar) Bước sóng lớn nhất: λmax= 282 nm Chỉ số khúc xạ: 1.5627 tại 18oC Điểm chớp cháy: 79oC  Xuất phát HMF từ sinh khối (cellulose, lignocellulose) sẽ thu hẹp khoảng  cách phát triển giữa các nguồn cung cấp và nhu cầu năng lượng, hóa chất. Làm  như vậy đòi hỏi phải có chất xúc tác hóa học hiệu quả để trực tiếp chuyển đổi  sinh khối thành HMF có chọn lọc. HMF có thể được sản xuất năng suất cao từ  các loại đường sử dụng các dung môi hữu cơ bao gồm DMSO, DMF và hỗn hợp  của Polyetylenglycol với nước theo các chất xúc tác khác nhau, bao gồm cả axit  sulfuric và nhựa trao đổi ion,... 2.2  Tổng hợp HMF 2.2.1 Tổng hợp HMF từ fructose 12
  13. Việc chuyển đổi fructose thành HMF là khá dễ dàng dưới sự trợ giúp của  xúc tác. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng có tới gần một trăm xúc tác đồng thể  và xúc tác dị thể có thể sử dụng làm chất xúc tác cho quá trình tổng hợp HMF từ  fructose trong các dung môi khác nhau. Các chất xúc tác có thể chia thành năm nhóm: Axit hữu cơ Axit vô cơ Muối Axitlewis Xúc tác khác Axit oxalic H3PO4 (NH4)2SO4 ZnCl2 Zeolite Axit maleic H2SO4 (NH4)2SO3 AlCl3 Nhựa trao đổi  HCl TiO2 BF3 ion Hình 2: Quy trình chuyển hóa fructose thành HMF 2.2.2 Tổng hợp HMF từ polysaccharide Việc sử dụng các polysaccharide làm chất nền để sản xuất HMF giữ lợi  thế quan trọng vì chi phí thấp hơn nhiều so với đi từ hexose. Sự biến đổi của  dồi dào và rẻ tiền sinh khối cellulose thông qua một quá trình không lên men  thành nhiên liệu sinh học và các sản phẩm sinh học là mục tiêu vô cùng hấp dẫn  đối với năng lượng bền vững. Trong những năm gần đây, các sáng kiến nghiên  cứu phát triển các chất xúc tác hóa học để chuyển đổi trực tiếp sinh khối  lignocellulose thành các sản phẩm có giá trị bao gồm HMF đã được thực hiện.  Tuy nhiên, sự thủy phân cellulose bằng xúc tác enzyme hoặc proton­axit vô cơ  13
  14. vẫn chưa có hiệu quả cho các ứng dụng mô lớn. Sinh khối lignocellulose (ví dụ  như thân cây ngô, rơm lúa mì, cỏ, bã mía) tốt như vi tảo đang được coi là một  nguyên liệu có triển vọng nhất để sản xuất nhiên liệu và hóa chất. Thành phần  khối lượng chủ yếu của sinh khối lignocellulose là: cellulose (40­50%),  hemicellulose (25%) và lignin (25%). Năm 2009, một nghiên cứu về sự chuyển đổi đơn bước của cellulose  thành HMF bằng xúc tácclorua kim loại (CuCl2 và CrCl2) trong dung môi  [EMIM]Cl đã thành công. Trong quá trình này, sự kết hợp của CuCl2 với CrCl2  (tổng tải 37mol/g) được sử dụng, theo đó mỗi mol cellulose ở 120oCtrong 8 giờ  cho tối đa 575 mmol HMF. Sau khi tách sản phẩm HMF, hiệu suất phục hồi của  [EMIM]Cl và các chất xúc tác được duy trì trong ít nhất ba chu kỳ phản ứng lặp  đi lặp lại. Hình 3: Chuyển hóa cellulose có và không có xúc tác CrCl2 2.2.3 Tổng hợp HMF từ glucose 2.2.3.1 Tổng hợp HMF từ glucose bằng xúc tác Halogen  kim loại Năm 2007, một vài nghiên cứu tổng hợp HMF từ glucose bằng chất xúc tác  halogen kim loại đã được thực hiện. Họ nhậnthấy chất xúc tác Crom cho hiệu  suất tốt nhất. CrCl2 cho hiệu suất 70% HMF từ glucose và CrCl3 cho hiệu suất  thấp hơn là 45%. Kể từđó, nhiều nghiên cứuđã kiểm tra khả năng của các chất  xúc tác halogen kim loại trong chất lỏng ion. Hình 4 cho thấy một bản tóm tắt  hiệu suất cho từng loại xúc thử nghiệm trong các nghiên cứu từ năm 2007 đến  đầu năm 2013. 14
  15. Hình 4: Tóm tắt các chuyển đổi glucose thành HMF bởi các chất xúc tác halogen  kim loại từ năm 2007­2013 Cơ chế chuyển đổi glucose thành HMF bằng xúc tác CrCl2 trong dung môi   ion lỏng: Fructose dễ dàng khử nước để tạo HMF trong một loạt các điều kiện nhiệt  nhưng glucose chỉ chuyển hóa thành HMF dưới một vàiđiều kiện với chất xúc  tác và dung môi cụ thể. Vì lí do này, giả thuyết cơ chế chuyển hóa glucose  chứaít nhất hai bước sau: 1. đồng phân glucose  fructose 2. fructose mất nước HMF Hình 5: Cơ chế chuyển hóa glucose thành HMF 2.2.3.2 Chuyển hóa glucose thành HMF bằng xúc tác  zeolite trong chất lỏng ion 15
  16. Một loạt các chất xúc tác zeolite được khảo sát về việc chuyển đổi  glucose thành HMF trong chất lỏng ion 1­butyl­3­methylimidazolium clorua  ([BMIM]Cl), và thấy rằng Hβ­zeolite với cấu trúc BEA độc đáo và tỷ lệ Si/Al =  25 vừa phải có hoạtđộng xúc tác cao nhất. Kết quả là với 80,6% chuyển đổi  glucose cho sản phẩm HMF đạt hiệu suất 50,3% ở nhiệt độ phản ứng 150oC chỉ  trong 50 phút.Với sự có mặt của Hβ­zeolite (Si/Al = 25) và dung môi [BMIM]Cl,  động học của phản ứng chuyển hóaglucose thành HMF đã được nghiên cứu và  xác định là phù hợp với một phương trình tốc độ phản ứng bậc một và năng  lượng hoạt hóalà 97,4 kJ/mol. Cơ chế của phản ứng bao gồm quá trình đồng  phân hóa glucose thành fructose, tiếp theo là tình trạng mất nước của fructose  thành HMF. Hβ­zeolite (Si/Al = 25) có thể được tái sinh một cách dễ dàng thông  qua phảnứng nung đơn giản.Quan trọng hơn, Hβ­zeolite (Si/Al = 25) và  [BMIM]Cl cũng đã được xác nhận là một sự kết hợp tuyệt vời cho việc chuyển  hóa carbohydrates khác như fructose, sucrose, maltose, cellobiose, tinh bột và  cellulose thành HMF. Hình 6: Cơ chế của quá trình chuyển hóa glucose thành HMF bằng xúc tác Hβ ­ zeolite trong dung môi [BMIM]Cl 3. Kết luận 16
  17. Trên đây chúng tôi đã đưa ra những khái quát chung về NLSH có ứng dụng  thực tiễn  , một phương án mới để ta có thể thay thế các nguồn nhiên liệu  hóa thạch trong tương lai. Đồng thời có thể ngăn cản được biến đổi khí hậu.  bản báo cáo Niên luận khoa học trên chúng tôi cũng đưa ra các phương pháp  tổng hợp 5­Hydroxylmethylfurfural, một mắt xích quan trọng trong quy trình  sản xuất nhiên liệu sinh học. Tài liệu tham khảo: 1.  Saikat Dutta, Sudipta, BasudebSaha (2013), “Advances in biomass  transformation to 5­hydromethylfurfural and mechanistic”. 1. Sungdong Yu, Eudem Kim, Sunyoung Park, In Kyu Song, JiChul Jung  (2012), “Isomerization of glucose into fructose over Mg­Al hydrotalcite  catalysts”. 2. Lei Hu, Zhen Wu, Jiang Xu, Yong Sun, Lu Lin, Shijie Liu (2014), “Zeolite–  promoted transformation of Glucose into 5­hydroxymethylfurfural in ionic  liquid”. 3. Richard G. Finke, Louis B. Bjostad (2014), “Investigation into discrete  molecular catalysts for biomass conversion into 5­hydroxymethylfurfural”. 4. vi.wikipedia.org. 17
  18. 5. Tổng quan về nhiên liệu sinh học­ Báo cáo luận văn­Mai Tường Nam 18
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2