[发明专利]一种CaFe2O4型磁性固体催化剂及其应用

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CaFe₂O₄型磁性固体催化剂。同时，本发明还涉及该磁性固体催化剂在纤维素水解制备葡萄糖中的应用。

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。纤维素是一种可水解生成葡萄糖的可再生资源，其每年固定的能量仅次于煤炭、石油和天然气。由于纤维素水解获得的葡萄糖可以作为食品、化工制品和生物燃料等，所以纤维素水解制糖工艺的研究得到了国内外研究者的高度重视。纤维素水解方法包括：纤维素酶水解、液体酸(碱)水解、超临界水解和固体催化剂水解等。其中固体催化剂以生产成本低、水解液无需中和处理及具有较高的催化活性和选择性等优点，克服了其他纤维素水解方法的不足，有望解决纤维素水解制糖工艺不能工业化的技术难题。

目前应用于纤维素水解的固体催化剂主要有：负载贵金属型催化剂、活化型催化剂和固体酸(碱)型催化剂。CN 101394928A公开了Pt/γ～Al₂O₃型固体催化剂，在190℃条件下催化反应24h，纤维素转化获得的糖醇收率为28％；CN 101733088A公开了一种以SiO₂为活性组分的固体催化剂，在160℃条件下催化反应12h，纤维素转化率达到48.4％；本发明人分别发明了固体酸和固体碱催化剂用于纤维素水解反应(CN 101638441A和CN101638442B)，其中一种固体催化剂在150℃、24h条件下催化水解纤维素反应，纤维素转化率为48％，葡萄糖的选择性为87％。但由于固体催化剂和纤维素水解后的残渣均为固体物质且难以分离，所以不仅使得固体催化剂难以重复利用，还增加了纤维素水解工艺的成本，最终导致固体催化剂难以用于纤维素水解的工业化生产。

为了解决固体催化剂与纤维素残渣的分离及其重复利用等难题，本发明人又发明了一种磁性固体催化剂及其应用(CN 101920205A)，但由于该磁性固体催化剂是一种成分复杂的混合物，包含ZnO、CaO和Fe₃O₄三种氧化物，所以在应用电磁铁设备进行磁性固体催化剂分离过程中不能将其完全回收(例如ZnO和CaO无磁性)，从而导致磁性固体催化剂部分损失并降低催化剂重复使用次数，增加了纤维素水解工艺成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有固体催化剂和纤维素残渣分离困难、固体催化剂难以回收利用和磁性固体催化剂成分复杂等问题，提供一种化学成分单一的CaFe₂O₄型磁性固体催化剂，该磁性固体催化剂能够充分回收和重复利用，有助于降低纤维素水解工艺的生产成本。

本发明的目的还在于提供所述CaFe₂O₄型磁性固体催化剂在纤维素水解制糖中的具体应用。

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重量百分数。

一种CaFe₂O₄型磁性固体催化剂，其特征在于：由金属盐和沉淀剂通过共沉淀法合成复合金属氢氧化物，再将金属氢氧化物干燥后在高温条件下煅烧后得到；其具体制备参数及过程如下：

(1)金属离子的摩尔配比，n(Ca)∶n(Fe)＝(0.5～2)∶1；

(2)沉淀剂与金属离子的摩尔配比，n(沉淀剂)∶n(金属离子)＝(0.5～5)∶1；

(3)沉淀剂与纯水的摩尔配比，n(水)∶n(沉淀剂)＝(5～20)∶1；

(4)金属离子、沉淀剂与纯水均匀混合后，在25～135℃反应1～12h生成碱性水溶液和沉淀物；

(5)将碱性水溶液和沉淀物在95℃静置12h；

(6)用纯水将沉淀物洗至中性，并通过20000g的离心力分离10min获得沉淀物并干燥；

(7)将干燥后的沉淀物研磨成1～100μm粉末，然后在800～1000℃煅烧3～5h，所获得的粉末即为CaFe₂O₄型磁性固体催化剂。

所述的金属离子选自其相应的硝酸盐或氯化盐中的一种。

所述的沉淀剂为尿素或氢氧化钠中的一种。

所述的CaFe₂O₄型磁性固体催化剂在纤维素水解制糖中的应用，具体包括以下步骤：