[发明专利]一种磺化炭及其制备方法和应用

说明书

本发明一种磺化炭及其制备方法和应用，所述的制备方法包括，步骤1，硫酸酸解碳水化合物得到碳水化合物酸解副产物的制备；步骤2，在惰性气体氛围下高温裂解碳水化合物酸解副产物得到高温炭化物：步骤3，用磺化剂磺化高温炭化物得到磺化炭。磺化炭在催化乙酰丙酸和正丁醇酯化反应上的应用，乙酰丙酸和丁醇的摩尔比为1：(3‑6)，磺化炭与乙酰丙酸的质量比为10‑40％，在80‑120℃下反应4h。本发明的制备方法得到了无定形的磺化炭，在催化反应时提高了磺化炭的催化反应效果，易于分离，可多次使用，对资源的全面利用和生物质的全面利用起到完善作用，提高了酸解碳水化合物固体废弃物的附加值。

技术领域

本发明涉及固体酸催化剂制备技术领域，特别是涉及一种利用酸水解碳水化合物产生的废弃物制备固体酸催化剂，具体为一种磺化炭及其制备方法和应用。

背景技术

随着化石资源的不断消耗和环境保护的需要，可再生能源的开发和利用正受到人们越来越多的关注，木质纤维素是储量最丰富的一种生物质资源。木质纤维素通过化学催化转化可以得到小分子的平台化合物，如糖类、呋喃类等。在此过程中，酸解是打破木质纤维素结构降低其聚合度的第一步。木质纤维素经过酸催化可水解为纤维素和半纤维素，纤维素和半纤维素继续酸催化水解成己糖和戊糖等碳水化合物，己糖包括葡萄糖和果糖等，戊糖包括木糖等。己糖的进一步酸催化脱水会形成5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸，而戊糖的进一步酸催化脱水会生成糠醛。然而，木质纤维素在酸解这个过程中会产生大量的固体不溶性残渣，尤其是在碳水化合物酸解过程中。该副产物的收率受原料、催化剂、反应介质和工艺参数等多种因素影响，最高可达30-40％。

因此，将酸解碳水化合物产生的固体副产物再利用是很有必要的，这样的话可以使生物质能够在生物炼制过程中得到全面利用，更加符合绿色化学的理念。在以往的利用中，酸解碳水化合物的固体副产物大都停留在燃烧热量和回田等低附加值的应用上，也有一些研究者尝试将该固体副产物进行增值化利用，该固体副产物也称为人造腐殖质，如有研究人员利用人造腐殖质溶液对糠醛树脂进行浸渍改性制备复合材料用于建筑行业，具体发表的文章如“A.Mija et al./Construction and Building Materials 139(2017)594–601”；也有人采用人造腐殖质作为苯酚替代品，通过两步法合成改性酚醛粘合剂，研究成果见“Polymers 2017,9,373；doi:10.3390/polym9080373”；另外，有人利用人造腐殖质后处理制备碳量子点，具体发表的文章如“YanRu Zhang,Ning Gao,PBM·Humin-based CarbonQuantum Dots[J],No.2,2018”等，但将酸解碳水化合物固体副产物用作固体酸催化剂前驱体来制备固体酸催化剂并进行催化的应用还未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种磺化炭及其制备方法和应用，成本低，制备工艺简单，绿色环保，易于分离，高附加值，提高了木质纤维素酸水解固体废弃物的附加值。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种磺化炭的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，碳水化合物酸解副产物的制备；

将碳水化合物、硫酸和去离子水混合后加热至180-240℃反应0.5-24h，待所得的混合溶液温度降至室温后抽滤洗涤至滤液pH＝7，再将混合溶液抽滤洗涤得到的滤饼在80-105℃下烘干5-14h后研磨得到碳水化合物酸解副产物；

步骤2，碳水化合物酸解副产物的高温裂解；

将步骤1得到的碳水化合物酸解副产物在惰性气体氛围下加热到350-500℃裂解4-8h得到高温炭化物；

步骤3，高温炭化物的磺化；