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PET醇解协同催化体系的构建及反应机理研究

文献类型:学位论文

作者姚浩余
答辩日期2021-06-01
文献子类博士
授予单位中国科学院过程工程研究所
导师吕兴梅
关键词聚对苯二甲酸乙二醇酯,醇解,催化,机理,溶解度
英文摘要

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有广泛的应用。其产量与消耗量逐年增高,随之产生了大量的废旧PET,带来了严重的生态污染和资源浪费问题。PET聚酯的化学回收对解决白色污染、保护环境和降低塑料行业对石化资源的依赖具有重要意义。PET乙二醇醇解法可以在温和条件下将废旧PET醇解为对苯二甲酸双羟乙基酯(BHET),将BHET分离纯化后再聚合就可以得到rPET,是实现PET绿色循环的有效途径。本论文设计了多种不同性质的催化剂用于PET催化醇解,探究了催化剂结构和性质与PET醇解效率的内在联系,提出了不同催化剂的可能催化反应机理,为PET的高效醇解和产品的分离纯化提供重要的理论基础。主要创新性进展如下: (1)以SBA-15为载体制备了一系列L酸负载金属氧化物催化剂,并研究了其催化醇解PET的催化活性及反应机理。与传统催化剂相比5% ZnO/SBA-15具有较高的催化活性,在优化反应条件下,PET 转化率100%,BHET收率91.0%,且产物BHET的色度具有明显优势。6次循环催化活性基本不变。结果表明,SBA-15负载的金属氧化物主要是通过其催化剂表面L酸与PET羰基间的相互作用实现PET酯链断裂,高比表面积、较大的孔径有利于PET在催化剂表面的吸附。获得了PET在ZnO不同晶面的作用机制及催化PET乙二醇醇解的一级反应动力学,其表观活化能为215.9 kJ/mol。 (2)制备了功能化氨基酸非金属离子液体催化剂。其中[Bmim]Pro在PET乙二醇醇解反应中具良好的催化活性。结合理论计算发现,该催化剂醇解PET的效率与其阴离子羧基氧的电负性密切相关,电负性越强,催化效率越高。利用响应面法考察了影响反应的独立参数对催化醇解PET效率的影响,各独立参数对反应的影响大小顺序为:温度 > 时间 > 乙二醇/PET的质量比。获得了优化的反应参数:温度197 oC,时间89 min,乙二醇/PET质量比为5,PET转化率为100 %,BHET的产率为75.5%,循环6次催化活性没有显著降低。提出了[Bmim]Pro催化剂以多重氢键协同催化PET醇解的可能机理,催化醇解PET的反应过程符合缩核反应动力学模型,其表观活化能为142.5 kJ/mol。 (3)研究了生物碱在PET醇解过程中的强化机制,提出了酸碱协同催化醇解PET的反应机理。考察了生物碱及其衍生物催化PET醇解效率,发现了碱性位点强有利于PET酯键的断裂。通过与L酸复合,在甜菜碱/Zn(NO3)2的比例为1:4时,经过70 min后 PET完全醇解,BHET收率为83.7%。提出了甜菜碱与乙二醇羟基氢键作用、Zn(NO3)2与PET羰基配位作用协同催化PET醇解的反应机理。同时,考察了三种催化体系中PET形貌的变化,获得了在酸碱协同催化体系中PET溶胀和刻蚀同时进行的形貌转化机制。通过动力学结果进一步证实了甜菜碱在反应中的强化作用。 (4)采用静态法研究了PET乙二醇醇解产物BHET在乙二醇、甲醇、乙醇、水和不同比例的乙二醇与水二元溶剂中的溶解度。随着温度的升高,BHET在各种溶剂中的溶解度都增大。相同温度下,BHET在不同溶剂中的溶解度大小顺序为:甲醇 > 乙醇 > 乙二醇 > 水;在二元溶剂体系中随着乙二醇组分质量分数的升高,BHET的溶解度升高。采用不同模型模型进行关联并计算得到了BHET在各种溶剂中的溶解吉布斯自由能、溶解焓、溶解熵等溶解热力学参数。

语种中文
源URL[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60829]  
推荐引用方式
GB/T 7714
姚浩余. PET醇解协同催化体系的构建及反应机理研究[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2021.

入库方式: OAI收割

来源:过程工程研究所

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