Nghiên cứu chế tạo xúc tác axit bazơ và kim loại cho chuyển hóa biomass thành axit levulinic và γ valerolacton

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. SỰ CHUYỂN HÓA BIOMASS THỰC VẬT THÀNH CÁC SẢN PHẨM CÓ GIÁ TRỊ CAO HƠN

1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐỐI VỚI CHUỖI CHUYỂN HÓA BIOMASS THỰC VẬT THÀNH γ-VALEROLACTON

1.2.1. Xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa glucozơ

1.2.2. Xúc tác cho phản ứng chuyển hóa các cacbohyđrat thành axit levulinic

1.2.3. Xúc tác cho phản ứng hidro hóa axit levulinic thành γ-valerolacton

1.3. CÁC XÚC TÁC DỊ THỂ LIÊN QUAN TRONG LUẬN ÁN CHO CHUYỂN HÓA BIOMASS THỰC VẬT THÀNH GVL

1.3.1. Vật liệu mao quản trung bình SBA-15

1.3.2. Xúc tác kim loại trên chất mang

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT

2.1.1. Chế tạo hydrotalxit (HT)

2.1.2. Tổng hợp SBA-15 biến tính

2.1.3. Tổng hợp xúc tác Au trên các chất mang khác nhau

2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU

2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2.2.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt (BET)

2.2.3. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.2.4. Phổ quang điện tử tia X (XPS)

2.2.5. Phổ khối lượng cảm ứng plasma

2.2.6. Phân tích nhiệt

2.2.7. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)

2.3. XÁC ĐỊNH TÂM AXIT, BAZƠ

2.3.1. Xác định tâm axit

2.3.2. Xác định tâm bazơ

2.4. CÁC QUI TRÌNH THỬ HOẠT TÍNH XÚC TÁC

2.4.1. Qui trình xúc tác đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ

2.4.2. Qui trình phản ứng xúc tác chuyển hóa fructozơ thành axit levulinic

2.4.3. Phản ứng hidro hóa axit levulinic thành γ-valerolacton

2.5. ĐỊNH LƯỢNG CÁC CHẤT TRONG HỖN HỢP PHẢN ỨNG

2.5.1. Điều kiện phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

2.5.2. Điều kiện phân tích sắc ký khí (GC)

2.5.3. Xây dựng đường chuẩn glucozơ, fructozơ

2.5.4. Đường chuẩn fructozơ, axit levulinic

2.5.5. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ γ-valerolacton và axit levulinic

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH XÚC TÁC BAZƠ RẮN HYDROTALXIT VÀ PHẢN ỨNG ĐỒNG PHÂN HÓA GLUCOZƠ THÀNH FRUCTOZƠ

3.1.1. Đặc trưng xúc tác hydrotalxit

3.1.2. Phản ứng đồng phân hóa glucozơ – fructozơ trên xúc tác hydrotalxit

3.1.3. Ảnh hưởng của thành phần chất xúc tác

3.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng

3.1.5. Thu hồi và tái sử dụng xúc tác hydrotalxit

3.1.6. Tái cấu trúc và khả năng tái sinh chất xúc tác. Đánh giá tính chất dị thể của xúc tác HT

3.1.7. Tiểu kết luận

3.2. ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC AXIT RẮN SBA-15-SO3H VÀ PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA FRUCTOZƠ THÀNH AXIT LEVULINIC

3.2.1. Đặc trưng cấu trúc xúc tác

3.2.2. Hoạt tính xúc tác cho phản ứng chuyển hóa fructozơ thành LA

3.2.2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng MPTMS/TEOS

3.2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

3.2.2.3. Ảnh hưởng của tỉ khối lượng xúc tác/khối lượng fructozơ

3.2.3. Tiểu kết luận

3.3. ĐIỀU CHẾ HẠT VÀNG NANO TRÊN CHẤT MANG KHÁC NHAU LÀM XÚC TÁC KIM LOẠI VÀ PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA LA THÀNH GVL

3.3.1. Đặc trưng của xúc tác

3.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hiđro hóa axit levulinic thành γ-valerolacton

3.3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Au trên chất mang

3.3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

3.3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xúc tác/khối lượng LA

3.3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng nước/ khối lượng LA

3.3.2.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ axit fomic/axit levulinic. Đánh giá trạng thái oxi hóa của Au sau quá trình xúc tác

3.3.3. Tiểu kết luận

3.4. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về xúc tác axit bazơ và kim loại

Nghiên cứu chế tạo xúc tác axit bazơ và kim loại là một lĩnh vực quan trọng trong chuyển hóa biomass thành các sản phẩm có giá trị như axit levulinic và γ-valerolacton. Các xúc tác axit bazơ rắn, như hydrotalxit, đã cho thấy hiệu quả cao trong việc chuyển hóa các hợp chất cacbohydrat thành axit levulinic. Việc sử dụng xúc tác kim loại cũng đã được nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa axit levulinic thành γ-valerolacton. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng xúc tác có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chọn lọc của các phản ứng này.

1.1. Tính chất và ứng dụng của xúc tác axit bazơ

Các xúc tác axit bazơ có khả năng thúc đẩy các phản ứng hóa học thông qua việc cung cấp proton hoặc nhận electron. Chúng có thể được sử dụng trong nhiều quá trình chuyển hóa khác nhau, bao gồm cả quá trình đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ. Việc nghiên cứu tính chất của các xúc tác axit bazơ như hydrotalxit cho thấy chúng có khả năng tái sử dụng và hiệu quả trong việc chuyển hóa biomass thành các sản phẩm có giá trị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng có thể dẫn đến hiệu suất cao hơn trong việc sản xuất axit levulinic.

1.2. Xúc tác kim loại trong chuyển hóa biomass

Xúc tác kim loại, đặc biệt là các hạt nano vàng, đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc chuyển hóa axit levulinic thành γ-valerolacton. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỉ lệ khối lượng xúc tác có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của phản ứng. Sử dụng xúc tác kim loại không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến an toàn trong quá trình sản xuất. Việc phát triển các phương pháp mới để chế tạo và sử dụng xúc tác kim loại là cần thiết để tối ưu hóa quy trình chuyển hóa này.

II. Quá trình chuyển hóa biomass thành axit levulinic và γ valerolacton

Quá trình chuyển hóa biomass thành axit levulinic và γ-valerolacton bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, biomass được thủy phân để tạo ra các monosacarit như glucozơ và fructozơ. Sau đó, các monosacarit này được chuyển hóa thành axit levulinic thông qua phản ứng đồng phân hóa và dehydrat hóa. Cuối cùng, axit levulinic được hidro hóa để tạo ra γ-valerolacton. Mỗi bước trong quá trình này đều yêu cầu các loại xúc tác khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu.

2.1. Đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ

Quá trình đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ là bước đầu tiên trong chuỗi chuyển hóa. Sử dụng xúc tác axit bazơ như hydrotalxit đã cho thấy hiệu quả cao trong việc thúc đẩy phản ứng này. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện như nhiệt độ và thời gian phản ứng có thể làm tăng đáng kể hiệu suất chuyển hóa. Các kết quả cho thấy rằng xúc tác axit bazơ không chỉ giúp tăng cường tốc độ phản ứng mà còn cải thiện độ chọn lọc của sản phẩm.

2.2. Chuyển hóa fructozơ thành axit levulinic

Sau khi fructozơ được tạo ra, bước tiếp theo là chuyển hóa nó thành axit levulinic. Quá trình này thường sử dụng các xúc tác axit để thúc đẩy phản ứng dehydrat hóa. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng xúc tác axit bazơ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của phản ứng này. Các yếu tố như tỉ lệ khối lượng xúc tác và điều kiện phản ứng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình chuyển hóa này.

2.3. Hidro hóa axit levulinic thành γ valerolacton

Cuối cùng, axit levulinic được hidro hóa để tạo ra γ-valerolacton. Quá trình này thường yêu cầu các xúc tác kim loại để thúc đẩy phản ứng. Việc sử dụng các hạt nano vàng trên các chất mang khác nhau đã cho thấy hiệu quả cao trong việc tăng cường hiệu suất của phản ứng hidro hóa. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các yếu tố như nhiệt độ và tỉ lệ khối lượng xúc tác có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ chọn lọc của sản phẩm cuối cùng.

III. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu chế tạo và sử dụng xúc tác axit bazơ và kim loại cho chuyển hóa biomass thành axit levulinic và γ-valerolacton không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Các sản phẩm như axit levulinic và γ-valerolacton có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp hóa chất đến năng lượng tái tạo. Việc phát triển các phương pháp sản xuất hiệu quả và bền vững từ biomass sẽ góp phần giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên hóa thạch và bảo vệ môi trường.

3.1. Ứng dụng trong công nghiệp hóa chất

Các sản phẩm như axit levulinic và γ-valerolacton có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều quá trình hóa học khác nhau. Axit levulinic có thể được chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ khác, trong khi γ-valerolacton có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu hoặc làm nguyên liệu cho sản xuất hóa chất. Việc phát triển các quy trình sản xuất hiệu quả từ biomass sẽ giúp giảm thiểu chi phí và tăng cường tính bền vững trong ngành công nghiệp hóa chất.

3.2. Tác động đến môi trường

Việc sử dụng biomass như một nguồn nguyên liệu thay thế cho các nguồn tài nguyên hóa thạch có thể giúp giảm thiểu lượng khí nhà kính và ô nhiễm môi trường. Các sản phẩm từ biomass thường có khả năng phân hủy sinh học cao, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng xúc tác axit bazơ rắn và kim loại trong chuyển hóa biomass thành axit levulinic và γ valerolacton