摘要

本文主要研究了D -木糖轉變成D -木糖醇的三相加氫反應中釕修飾碳泡沫(Ru/CF)催化劑的活性。采用掃描電鏡、透射電鏡、x射線光電子能譜、電感耦合等離子體發射光譜和氮吸附-脫附測定等方法對所研制的催化劑進行了表征。動力學測量是在配有SpinChem旋轉床酶催化反應器(SRBR)的實驗室規模的加壓反應器 (Parr) 中進行的,反應條件H2：40–60 bar，溫度 100–120℃。反應條件的研究表明D -木糖加氫反應的轉化率和選擇性嚴重受溫度影響。以上結果已被Ru/CF催化劑配合SpinChem旋轉床酶催化反應器SRBR使用的新材料行為研究系統的競爭動力學模型很好的證實了。結果表明，在相同的反應條件下，Ru/CF-SRBR的催化活性和穩定性與工業的釕修飾碳催化劑(Ru/ AC)相當。此外，從催化劑的制備、催化劑的回收、催化劑的測試等各個環節都可以做到簡單、快捷、方便、不浪費原料?？傊兄频腞u/CF催化劑與SpinChem旋轉床酶催化反應器SRBR聯用，可作為傳統漿料間歇反應器雷尼鎳催化劑的優良替代品，具有明顯的工業應用前景。

背景介紹

D-木糖醇是一種五碳戊糖醇，已被公認為可從生物質中獲得的12種增值化學品之一。這種水溶性甜味劑的甜度更高，但能量含量比蔗糖低，特別受健康和體重意識的消費者歡迎。此外，由于低胰島素需求和抗齲性能，D-木糖醇的商業價值不斷被發掘，如制備藥物和相關的牙科產品。市場研究調查報告顯示D -木糖醇市場年需求量估計為16.15萬噸，相當于2013年約6.7億美元，預計到2020年將達到24.2萬噸D -木糖醇是由D -木糖在傳統的間歇反應釜中用雷尼鎳(Ra-Ni)或負載釕催化劑上在高溫高壓條件下進行加氫反應生成的。雖然Ra-N催化劑價格低廉、催化活性好，但失活速度較快及有毒鎳的浸出大大限制了其發展。負載Ru催化劑具有選擇性好、失活速率慢等優點，被認為是Ra-Ni催化劑的良好替代品。通常將催化劑顆粒直接投入到反應溶液中形成漿體反應物，但是由于機械磨損，催化劑顆粒常被研磨成更細小的顆?；蚍勰?。因此，不但損失大量的催化劑，還需要昂貴的分離和純化步驟來獲得清潔的最終產品和回收催化劑。

在此我們介紹一種固載了Ru的新型靈活的碳泡沫（CF）。D-木糖催化加氫實驗過程中將此CF固定在SpinChem旋轉床酶催化反應器內（圖1a）。此3D結構的CF具有眾多有點,如導電性好、低密度、壓縮性高、表面積大以表面富含高濃度的基團如羧基和羥基，從而可以直接固定金屬納米粒子，這些特點使CF可以適應從電氣應用到化學應用各種用途。在本篇的研究內容中，再次證明了RU固載的CF和SpinChem旋轉床酶催化反應器技術在D -木糖三相加氫反應中的適用性。該反應器是瑞典于奧默SpinChem AB公司最近開發的一種攪拌型的固相反應器。旋轉時，利用離心力在反應器內部的固體催化劑和外部的反應溶液之間形成了強對流的循環。這種類型的操作不僅提供了良好的傳熱，而且改善了液-固、氣-液向催化劑固相之間的傳質。多項研究表明，SpinChem旋轉床酶催化反應器的使用提高了傳質效果，減少了機械磨損產生的細小顆粒，消除了過濾步驟，防止了催化劑的損失。

圖1 （a）SpinChem旋轉床酶催化反應器和Parr反應器的組合（大圖），內部為固定了Ru/CF的SpinChem旋轉床酶催化反應器（小圖）；

（b）SpinChem旋轉床酶催化反應器分解圖；

（c） 反應后溶液對比： Ru/CF（碳泡沫） SpinChem旋轉床酶催化反應器處理溶液（左）和Ru/AC（活性炭）非SpinChem旋轉床酶催化反應器處理溶液（右）。

應用原文請見下方PDF文件：

利用Spinchem旋轉床反應器中的釕修飾碳泡沫催化劑實現D -木糖的催化加氫