摘要

本文主要研究了D -木糖转变成D -木糖醇的三相加氢反应中钌修饰碳泡沫(Ru/CF)催化剂的活性。采用扫描电镜、透射电镜、x射线光电子能谱、电感耦合等离子体发射光谱和氮吸附-脱附测定等方法对所研制的催化剂进行了表征。动力学测量是在配有SpinChem旋转床酶催化反应器(SRBR)的实验室规模的加压反应器 (Parr) 中进行的,反应条件H2：40–60 bar，温度 100–120℃。反应条件的研究表明D -木糖加氢反应的转化率和选择性严重受温度影响。以上结果已被Ru/CF催化剂配合SpinChem旋转床酶催化反应器SRBR使用的新材料行为研究系统的竞争动力学模型很好的证实了。结果表明，在相同的反应条件下，Ru/CF-SRBR的催化活性和稳定性与工业的钌修饰碳催化剂(Ru/ AC)相当。此外，从催化剂的制备、催化剂的回收、催化剂的测试等各个环节都可以做到简单、快捷、方便、不浪费原料。总之，所研制的Ru/CF催化剂与SpinChem旋转床酶催化反应器SRBR联用，可作为传统浆料间歇反应器雷尼镍催化剂的优良替代品，具有明显的工业应用前景。

背景介绍

D-木糖醇是一种五碳戊糖醇，已被公认为可从生物质中获得的12种增值化学品之一。这种水溶性甜味剂的甜度更高，但能量含量比蔗糖低，特别受健康和体重意识的消费者欢迎。此外，由于低胰岛素需求和抗龋性能，D-木糖醇的商业价值不断被发掘，如制备药物和相关的牙科产品。市场研究调查报告显示D -木糖醇市场年需求量估计为16.15万吨，相当于2013年约6.7亿美元，预计到2020年将达到24.2万吨D -木糖醇是由D -木糖在传统的间歇反应釜中用雷尼镍(Ra-Ni)或负载钌催化剂上在高温高压条件下进行加氢反应生成的。虽然Ra-N催化剂价格低廉、催化活性好，但失活速度较快及有毒镍的浸出大大限制了其发展。负载Ru催化剂具有选择性好、失活速率慢等优点，被认为是Ra-Ni催化剂的良好替代品。通常将催化剂颗粒直接投入到反应溶液中形成浆体反应物，但是由于机械磨损，催化剂颗粒常被研磨成更细小的颗粒或粉末。因此，不但损失大量的催化剂，还需要昂贵的分离和纯化步骤来获得清洁的最终产品和回收催化剂。

在此我们介绍一种固载了Ru的新型灵活的碳泡沫（CF）。D-木糖催化加氢实验过程中将此CF固定在SpinChem旋转床酶催化反应器内（图1a）。此3D结构的CF具有众多有点,如导电性好、低密度、压缩性高、表面积大以表面富含高浓度的基团如羧基和羟基，从而可以直接固定金属纳米粒子，这些特点使CF可以适应从电气应用到化学应用各种用途。在本篇的研究内容中，再次证明了RU固载的CF和SpinChem旋转床酶催化反应器技术在D -木糖三相加氢反应中的适用性。该反应器是瑞典于奥默SpinChem AB公司最近开发的一种搅拌型的固相反应器。旋转时，利用离心力在反应器内部的固体催化剂和外部的反应溶液之间形成了强对流的循环。这种类型的操作不仅提供了良好的传热，而且改善了液-固、气-液向催化剂固相之间的传质。多项研究表明，SpinChem旋转床酶催化反应器的使用提高了传质效果，减少了机械磨损产生的细小颗粒，消除了过滤步骤，防止了催化剂的损失。

图1 （a）SpinChem旋转床酶催化反应器和Parr反应器的组合（大图），内部为固定了Ru/CF的SpinChem旋转床酶催化反应器（小图）；

（b）SpinChem旋转床酶催化反应器分解图；

（c） 反应后溶液对比： Ru/CF（碳泡沫） SpinChem旋转床酶催化反应器处理溶液（左）和Ru/AC（活性炭）非SpinChem旋转床酶催化反应器处理溶液（右）。

应用原文请见下方PDF文件：

利用Spinchem旋转床反应器中的钌修饰碳泡沫催化剂实现D -木糖的催化加氢