Масютин Я.А. Синтез и исследование энергонасыщенных фурановых соединений на базе возобновляемого растительного сырья

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук: 05.17.07 – Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ. — Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина. — Москва, 2015. — 188 с.Научный консультант: д.х.н., проф. Винокуров В.А.Цель работы – создание нового более эффективного метода получения фурановых соединений из лигноцеллюлозной (растительной) биомассы и оценка их характеристик в качестве компонента моторных топлив на примере 2,5-диметилфурана.Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
изучить методы предобработки лигноцеллюлозного сырья с целью сравнения их эффективности;
исследовать синтез фурановых соединений из углеводов (фруктоза, глюкоза, целлюлоза), а также из исходного и предобработанного растительного сырья в различных средах;
разработать математическую модель горения смеси 2,5-диметифурана с эталонным топливом в условиях работы ДВС с наддувом;
исследовать антидетонационные характеристики и определить скорости горения смеси 2,5-диметилфурана с эталонным топливом в условиях работы ДВС с наддувом.Научная новизна работы.
Впервые показана возможность увеличения выхода 5-гидроксиметилфурфурола из лигноцеллюлозной биомассы при радиационной предобработке сырья γ-облучением.
Впервые продемонстрирована эффективность предобработки смесями хлорид- и ацетатсодержащих ионных жидкостей (на примере этил- и бутилзамещенных солей 1-алкил-3-метилимидазолия), а также установлено их оптимальное соотношение в смеси, обладающей максимальной растворяющей способностью по отношению к целлюлозе.
Разработан и запатентован способ переработки лигноцеллюлозного сырья, преимуществами которого являются сокращение времени процесса и количества отходов по сравнению с существующими аналогами. Конечными продуктами данного способа переработки являются этанол, а также смесь фурфурола и 5-гидроксиметилфурфурола.
Разработана математическая модель горения смеси 2,5-диметифурана и эталонного топлива в условиях работы ДВС с наддувом с использованием программного обеспечения GT-SUITE. Экспериментально определены антидетонационные характеристики и скорости горения вышеуказанной смеси и проведено их сравнение с аналогичными свойствами эталонной топливной смеси (изооктан и н-гептан) на уникальном оборудовании Университета г. Лидс (Великобритания) в условиях работы ДВС с наддувом.Введение.
Обзор литературы по методам предобработки лигноцеллюлозного сырья, синтеза энергонасыщенных фурановых соединений и их применения в качестве добавок к традиционному моторному топливу
Общая характеристика лигноцеллюлозного сырья
Предобработка растительного (лигноцеллюлозного) сырья методами облучения
Предобработка лигноцеллюлозного сырья методами облучения
Окислительные способы предобработки
Окисление кислородом в водной среде
Окисление с помощью пероксида водорода
Предобработка ионными жидкостями
Переработка лигноцеллюлозного сырья в фурановые соединения
Исследования в области синтеза фурфурола из углеводов
Исследования в области получения 5-гидроксиметилфурфурола из углеводов
Переработка фурановых соединений в высокоэнергетические соединения
Проблема компаундирования традиционных моторных топлив оксигенатными добавками
Характеристика свойств 2,5-диметилфурана как добавки к моторному топливу
Экспериментальная часть. Объекты и методы исследования
Предобработка целлюлозосодержащего сырья ионными жидкостями
Предобработка целлюлозосодержащего сырья методом γ-облучения
Предобработка целлюлозосодержащего сырья окислительными методами
Определение степени кристалличности исходных и предобработанных целлюлозосодержащих субстратов
Определение содержания лигнина, площади удельной поверхности и изучение фазовых переходов целлюлозосодержащих субстратов до и после окислительной и радиационной предобработки
Проведение сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии целлюлозосодержащих субстратов и коллоидного железосодержащего катализатора
Экспериментальные исследования получения фурановых соединений
Получение 5-гидроксиметилфурфурола из моносахаридов
Получение фурфурола и 5-гидроксиметилфурфурола из полисахаридов
Получение 2,5-диметилфурана из 5-гидроксиметилфурфурола
Моделирование горения смеси 2,5-диметилфурана с эталонным топливом в условиях работы ДВС с наддувом
Результаты и обсуждение экспериментальных исследований методов предобработки целлюлозосодержащего сырья
Предобработка целлюлозосодержащего сырья ионными жидкостями
Предобработка целлюлозосодержащего сырья методом γ-облучения
Предобработка целлюлозосодержащего сырья окислительными методами
Исследование влияния воздействия изученных методов предобработки на физико-химические свойства целлюлозосодержащего сырья
Изменение степени кристалличности исходных и предобработанных целлюлозосодержащих субстратов
Изменение массы сырья и содержания лигнина после окислительной и радиационной предобработки
Изменение удельной площади поверхности после окислительной и радиационной предобработки
Изучение фазовых переходов целлюлозосодержащих субстратов до и после радиационной и окислительной предобработки
Анализ данных сканирующей и просвечивающей микроскопии
Результаты и обсуждение экспериментальных исследований методов получения фурановых соединений
Получение 5-гидроксиметилфурфурола из моносахаридов
Получение фурфурола и 5-гидроксиметилфурфурола из полисахаридов
Получение 2,5-диметилфурана из 5-гидроксиметилфурфурола
Разработка способа переработки лигноцеллюлозного сырья
Результаты и обсуждение экспериментальных исследований свойств горения 2,5-диметилфурана в смеси с эталонным топливом
Разработка математической модели горения смеси 2,5-диметилфурана с эталонным топливом в условиях работы ДВС с наддувом
Экспериментальное определение антидетонационных характеристик смеси 2,5-диметилфурана с эталонным топливом в условиях работы ДВС с наддувом
Экспериментальное определение скорости горения смеси 2,5-диметилфурана с эталонным топливом в условиях работы ДВС с наддувом
Выводы по главе
Заключение
Литература