高教探索2025年第05期：异丙醇介质中ZSM-5分子筛催化果糖脱水制备5-HMF的工艺研究

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作者：任傲天¹;徐玲³;秦雯琪¹;聂仁峰²;吕秀阳¹

单位：浙江大学生物质化工教育部重点实验室，浙江大学 化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310058;生物基运输燃料技术全国重点实验室，郑州大学 化工学院，河南 郑州 450001;浙江科技大学 生物与化学工程学院，浙江 杭州 310023

摘要：5-羟甲基糠醛(5-HMF)是生物质基平台化合物之一。针对均相催化制备5-HMF中存在的催化剂分离困难、物耗大、污染严重等问题,文中开展了绿色溶剂异丙醇中固体酸催化果糖制备5-HMF的研究,并在固体酸催化剂筛选的基础上,研究了工艺、动力学和催化剂回用。结果表明,硅铝比为25的纳米级ZSM-5分子筛是异丙醇介质中果糖脱水制备5-HMF的较佳催化剂;通过优化得到较佳的工艺条件:果糖为0.04 g,ZSM-5为0.02 g,异丙醇为4 mL,搅拌速率为500 r·min^-1,在150 ℃条件下反应4 h,5-HMF的收率达到59.1%;基于动力学研究得到异丙醇介质中果糖脱水制备5-HMF的反应表观活化能为61.74 kJ·mol^-1;催化剂重复使用实验表明反应的转化率有所下降,但反应的选择性基本不变;结合BET、XRD和NH₃-TPD等表征,表明使用前后ZSM-5催化剂的晶体结构未发生变化,微孔和酸量有所下降,可能是由于反应生成的腐殖质覆盖了催化剂表面的部分酸性位点或孔道出现部分堵塞。研究工作将为5-HMF的绿色、高效制备提供新思路。

关键词：果糖;5-HMF;异丙醇;ZSM-5分子筛;脱水

基金资助：国家自然科学基金(22278358,22078290)。