中低温条件下纤维素快速热解机理与调控机制研究

采用中低温（280-400 ℃）快速热解技术处理生物质，并配合适当的调控手段，能联产获得高品质的固体燃料（"热改性生物质"）与高度富集的高附加值液体化学品，是一项新型高效的生物质利用技术。基于此，本项目拟针对生物质的主要组分纤维素，采用理论分析与实验研究相结合的方法，研究其中低温条件下的快速热解机理与调控机制，主要包括：（1）结合密度泛函理论计算和中低温快速热解实验，确定纤维素分子化学键断裂后经历过渡态形成重要产物的反应途径，揭示热解反应条件与热解产物之间的内在关联机制；（2）瞄准具有高附加值的特定热解产物，从金属离子催化入手，确定不同离子对纤维素分子的电子特性和关键热解反应途径的影响，明确不同目标产物的理论调控机制以及基本调控方法。本项目的研究工作将为开发中低温条件下的生物质选择性快速热解多联产技术奠定重要基础。

采用中低温（280-400℃）快速热解技术处理生物质，并配合适当的调控手段，能联产获得高品质的固体燃料与高度富集的高附加值液体化学品，是一项新型高效的生物质利用技术。基于此，本项目主要针对生物质中纤维素这一组分，采用理论分析与实验研究相结合的方法，研究其中低温条件下的快速热解机理与调控机制。. 项目执行期间，在先期纤维素快速热解的研究基础上，按照既定的研究内容，开展研究工作，较好地实现了预期目标，在以下几个方面取得了创新性的研究成果。. （1）针对纤维素热解形成的一种高附加值脱水糖衍生物——左旋葡萄糖酮（LGO），分别以β-D-吡喃葡萄糖和纤维二糖为模型化合物，采用密度泛函理论方法深入研究并确定了其热解形成机理；基于LGO的生成特性，提出了利用钛基固体超强酸催化热解纤维素，实现高选择性制备LGO；通过工艺优化，进一步提出了利用磁性固体超强酸催化热解生物质高选择性制备LGO，简化了催化剂的分离回收并提高了原料适用性。. （2）针对纤维素热解形成的一种重要呋喃类产物——5-羟甲基糠醛（HMF），以葡萄糖为模型化合物，采用密度泛函理论方法深入研究并确定了其热解形成机理；基于葡萄糖热解形成HMF的过程中需经历果糖这一中间产物，提出了果糖中低温快速热解高选择性制备HMF的工艺技术，并进行了实验和理论验证。. （3）针对纤维素热解形成的最重要小分子产物——羟基乙醛（HAA），以葡萄糖为模型化合物，采用密度泛函理论方法深入研究并确定了其热解形成机理；HAA也是半纤维素热解最重要的小分子产物，为此进一步基于木聚糖的两种模型化合物（吡喃木糖和O-乙酰基吡喃木糖），研究并确定了其热解形成HAA的机理。. （4）基于纤维素的快速热解研究，进一步针对典型的生物质原料——杨木，深入研究了其热解反应机理以及主要产物的形成途径。. （5）通过对生物质选择性热解的研究，提出了利用磷酸钾盐催化热解生物质制备酚类衍生物的工艺技术，比较了三种磷酸钾盐（K3PO4、K2HPO4和KH2PO4）的催化热解性能，确定了K3PO4为最优催化剂，揭示了催化热解过程的特性与机理。. （6）通过对禾本科生物质快速热解的研究，提出了甘蔗渣两级快速热解制备4-乙烯基苯酚（4-VP）和高品位生物油的工艺技术，揭示了两级热解过程的特性与机理。