论文总字数：15821字

摘 要

催化技术在化学工艺中的应用十分广泛，大约80%的生产过程涉及催化技术。由此可见，催化剂是化工生产过程中至关重要的一部分，尤其是分子筛催化剂。

当今石油价格日渐攀升，石油资源日渐匮乏。因而，寻找能够代替常规石油路线的方法是大势所趋。以植物为主的生物质资源将是良好的选择。但是生物质资源的成分较为复杂，产品产量低，产品分离也较为困难。可以通过先将其转化成化学性质比较活泼的产物，如5-羟甲基糠醛（5-HMF），再用5-HMF合成其他产物来解决这一问题。而SAPO-34分子筛在催化制备5-HMF的反应中表现出了优异的性能。

本文采用离子交换法，用Fe³ /Cu² 离子改性SAPO-34分子筛，将改性后的催化剂应用于催化果糖制备5-HMF。实验表明：使用Fe³ 改性后的SAPO-34分子筛可以有效提高5-HMF的收率。

关键词：催化剂 SAPO-34 改性 5-羟甲基糠醛

Modification and Application of SAPO-34 Molecular Sieve

Abstract

Catalytic technology is widely used in chemical processes, and about 80% of production processes involve catalytic technology. This shows that the catalyst is a crucial part of the chemical production process, especially the molecular sieve catalyst.

With today's rising oil prices, oil resources are becoming scarce. Therefore, the search for alternatives to the conventional oil route is a general trend. Plant-based biomass resources will be a good choice. However, the composition of biomass resources is relatively complex, the product yield is low, and product separation is also difficult. This can be solved by first converting it to a more chemically active product, such as 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), and then using 5-HMF to synthesize other products. SAPO-34 molecular sieves exhibited excellent performance in the catalytic preparation of 5-HMF.

In this paper, ion exchange method was used to modify SAPO-34 molecular sieve with Fe³ /Cu² ions, and the modified catalyst was used to catalyze fructose to prepare 5-HMF. Experiments show that the use of Fe3 -modified SAPO-34 molecular sieve can effectively improve the yield of 5-HMF.

Key words: catalyst；SAPO-34；modified；5-Hydroxymethylfurfural

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 当前形势 1

1.1.2 分子筛的演变与发展 1

1.1.3 分子筛的结构 2

1.2 SAPO-34分子筛 3

1.2.1 SAPO-34分子筛的简述 3

1.2.2 SAPO-34分子筛的合成方法 4

1.3 SAPO-34分子筛的改性 5

1.4 5-羟甲基糠醛的制备 6

1.4.1 5-羟甲基糠醛的简述 6

1.4.2 果糖制备5-羟甲基糠醛 7

1.5 研究内容 7

第二章 实验部分 9

2.1 实验原料与设备 9

2.2 SAPO-34分子筛的合成 9

2.3 SAPO-34分子筛的改性 10

2.4 SAPO-34分子筛的应用 10

2.5 实验检测条件 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 SAPO-34表征结果与分析 12

3.1.1 XRD表征结果 12

3.1.2 SEM表征结果 12

3.1.3 BET表征结果 14

3.1.4 NH₃-TPD表征结果 15

3.2 SAPO-34分子筛催化性能的影响因素 15

3.2.1 反应温度对催化性能的影响 15

3.2.2 果糖用量对催化性能的影响 16

3.2.3 催化剂用量对催化性能的影响 17

3.2.4 改性对催化性能的影响 18

第四章 结 论 20

参考文献 21

致 谢 24

文献综述

课题背景

当前形势

当今石油价格日渐攀升，石油资源日渐匮乏，但是世界经济却对石化产品的需求却不断增长，因此世界各国都不得不面对石油资源短缺的问题。但是我国煤炭资源丰富，从煤经由合成气制甲醇工艺已经非常成熟，因而，由甲醇制乙烯、丙烯等低碳烯烃（Methanol to Olefins，简称MTO）是最有希望代替常规石油路线的方法之一^[1]。而SAPO-34分子筛就是MTO的首选分子筛。

社会的快速发展和世界经济的繁荣离不开石化能源所做出的巨大贡献，但是随着不可再生的石化能源的枯竭以及实现人类可持续发展的目的，以植物为主的生物质资源将是未来能源的理想选择^[2]。从生物质资源出发，能合成出众多重要的化合物，但是它的缺点也比较明显，就是很难提高产物的产量。原因是生物质资源的成分较为复杂，它生产的产品分离也较为困难。可以通过先将其转化成化学性质比较活泼的产物，如5-羟甲基糠醛（5-HMF），再用5-HMF合成其他产物来解决这一问题。5-羟甲基糠醛是一种重要物质，它的潜在商业价值甚至可以与对苯二甲酸媲美^[3,4]。而SAPO-34分子筛在制备5-羟甲基糠醛方面也表现出了优异的性能。

分子筛的演变与发展

对于沸石分子筛的研究，我们可以追溯到1756年。在偶然的情况下，科学研究人员在对某类矿物质加热分析时，发现其效果与加热至沸腾状态一样^[5]。由于这样的发现是前所未有的，这便成为了人们最早发现的硅铝酸盐，也就是所谓的天然沸石。在踏出了对新领域的第一步之后，人们对天然沸石展开了越来越多的实践和研发工作。此外，在实际应用方面，天然沸石也表现出很不错的效果。在这样的基础上，更多的天然沸石被人们发现，未知的特殊性质也更多地展现出来，同时它们也一直被应用到实际生活中^[6]。总的来说，使用天然沸石取得了非常不错的效果。

随着对天然沸石的不对研究，体现出来的特殊性质不断被利用，人们就开始探索该如何人工合成沸石。从时间上确切的说，人工合成沸石开始于20世纪30年代。那时候的工作方向主要是通过模拟地址生成天然沸石的环境来合成沸石，实验更多利用的是高温水热合成技术，过程中的温度非常高，可以到达将近400℃。由于高温技术条件的苛刻，加上成本等一些因素，从上世纪40年代起，人们开始尝试使用低温水热技术来合成，这种方法对温度的需求不过100℃。与此同时美国的多家公司，如美国联合碳化物公司（UCC）都逐步致力于这方面的研究。我国在沸石方面的研究相较于美国等国家来说发展稍微缓慢一些。

分子筛的结构

由于人类实践活动的需求不断增长以及应用领域的不断拓展，多孔物质与其他相关材料也在不断发展。从最初的天然沸石到如今发展迅速的大孔材料，所有的多孔物质表现出来的共性都体现在孔道的结构上。多孔材料孔道分布均匀，大小相似、形状迥异，并且按照一定有序的规律排列，这为人们的研究提供了很便利的途径^[7]。所以这些多孔物质材料的性质都有相同之处。对于分子筛的定性，从不同的研究角度上分析是不一样的。在人们广泛认知下，分子筛是由PO₂ 、AlO₂^-和SiO₂等氧化物多面体组成的多孔物质材料；并且在合成分子筛的体系中，自身能够形成特殊的晶体结构^[8]。已经被发现的分子筛不仅特性突出，关键是每种分子筛都有各自的特点，差异度较大，而且种类繁多。目前研究力度较大、相对常见的多孔物质就数硅铝分子筛了。他们都具有以下的一些结构上的特点：

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