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이온성 액체 촉매를 이용한 단당류 및 다당류 바이오매스의 5-히드록시메틸푸르푸랄로의 전환 반응 연구

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Alternative Title
A Study on the Conversion of 5-Hydroxymethylfurfural from Mono- and Polysaccharides Using Ionic Liquid Catalsyts
Abstract
The purpose of this study, which involves ionic liquid, was to investigate not only solvents but also catalysts for the conversion of cellulose to 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF). Two kinds of ionic liquid catalysts were prepared; one an immobilized acidic ionic liquid catalyst and the other a Lewis acid ionic liquid catalyst containing metal chloride. The structure and acidic properties of the catalysts were examined by using Hydrogen nuclear magnetic resonance (1H-NMR) and Fourier transform inrared spectroscopy (FT-IR) measurements.
The first result was to prepare immobilized acidic ionic liquid catalysts for conversion of fructose to 5-HMF. Generally, 5-HMF is formed through the process of dehydration of fructose in an acid catalyst. Acidic ionic liquids (ILs)-modified silica gels with ?SO3H and-SO2Cl functional groups (SiO2-[ASBI][HSO4], SiO2-[ASCBI][HSO4], SiO2-[ASBI][TfO], SiO2-[ASCBI] [TfO]), were used in fructose dehydration. The effects of the reaction time, temperature, reactant concentration (molar ratio of [BMIM]Cl solvent to fructose) were studied. The results showed that the performance of SiO2-[ASBI][HSO4] (immobilized by the grafting of 3-allyl-1-(4-sulfobutyl) imidazolium hydrogen sulfate on silica gel) was better than those of the well known Amberlyst-15 and DOWEX50x8 catalysts at 383 K for 2 h, after which a 5-HMF yield of 73% was obtained.
In the second result, a Lewis acid ionic liquid catalyst containing metal chloride was investigated for its catalytic activity in the dehydration of glucose. Metal chloride salts, such as SnCl2, ZnCl2, AlCl3, FeCl3 and CuCl were screened, and used to obatin 5-HMF from glucose. During 2 h of reaction at 393 K, the glucose was selectively converted to 5-HMF, and the 5-HMF yield was 63% from [Me3NC2H4OH]-2AlCl4 (choline chloride ionic liquid containing AlCl3).
It is well known that direct production of 5-HMF from cellulose is difficult to achieve because of its complicated reaction steps, such as hydrolysis, isomerization and dehydration. In the third result, a environmental benign method was investigated for enhancing the 5-HMF yield from cellulose using metal chloride (CrCl3-6H2O) and an immobilized acidic ionic liquid catalyst (SiO2-[ASBI][HSO4]). The results showed that 40% of the 5-HMF yield was obtained under reaction at 403 K for 2 h. Futhermore, SiO2-[ASBI][HSO4] catalyst was also recycled three times. These results suggest that the SiO2-[ASBI][HSO4] catalyst contributes to the reactions of hydrolysis and dehydration, and that the Cr cations of CrCl3-6H2O play a role enediol formation from glucose.
Author(s)
박용범
Issued Date
2012
Awarded Date
2012. 2
Type
Dissertation
Publisher
부경대학교 대학원
URI
https://repository.pknu.ac.kr:8443/handle/2021.oak/9121
http://pknu.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001965914
Affiliation
부경대학교 화학공학과
Department
대학원 화학공학과
Advisor
우희철
Table Of Contents
목차 i

List of Tables iv

List of Figures v

Abstract ix

1. 서론 1

2. 이론적 배경 3
2-1. 바이오매스 및 바이오리파이너리 3
2-1-1. 바이오매스를 이용한 바이오리파이너리 기술 3
2-1-2. 5-히드록시메틸푸르푸랄 전환 기술 6
2-2. 바이오매스 전환을 위한 이온성 액체 응용 10
2-3. 선행연구조사 12

3. 반응실험 16
3-1. 실험시약 및 재료 16
3-2. 촉매 제조 16
3-2-1. 고정화 산성 이온성 액체 촉매제조 방법 16
3-2-2. 금속염화물을 포함한 루이스 산 이온성 액체 촉매제조 방법 20
3-3. 실험 방법 21

4. 결과 및 토론 22
4-1. 촉매 특성분석 22
4-1-1. 산성 이온성 액체 촉매 합성 및 고정화 유무 확인 22
4-1-2. 금속염화물을 포함한 루이스 산 이온성 액체 촉매
산도 및 물성평가 26
4-2. 단당류 프룩토오스의 탈수화 반응연구 29
4-2-1. 다양한 고체 산 촉매에 대한 영향 29
4-2-2. 반응온도 및 반응시간에 대한 영향 31
4-2-3. 프룩토오스에 대한 산 촉매 중량 비율 영향 34
4-2-4. 프룩토오스에 대한 이온성 액체 몰 비율 영향 34
4-2-5. 다양한 금속염화물을 포함한 루이스 산 이온성 액체
촉매에 대한 영향 37
4-2-6. 반응온도 및 반응시간에 대한 영향 39
4-2-7. 프룩토오스에 대한 촉매 몰 비율 영향 41
4-2-8. 프룩토오스에 대한 금속염화물 몰 비율 영향 41
4-3. 단당류 글루코오스의 탈수화 반응연구 44
4-3-1. 다양한 금속염화물을 포함한 루이스 산 이온성 액체
촉매에 대한 영향 46
4-3-2. 반응온도 및 반응시간에 대한 영향 46
4-3-3. 프룩토오스에 대한 촉매 몰 비율 영향 48
4-3-4. 프룩토오스에 대한 금속염화물 몰 비율 영향 48
4-4. 다당류 셀룰로우스의 직접 전환 반응연구 51
4-4-1. 반응촉매계에 대한 영향 51
4-4-2. 다양한 금속염화물 촉매에 대한 영향 54
4-4-3. 다양한 산 촉매에 대한 영향 56
4-4-4. 불균일계 산 촉매의 온도에 대한 반응활성 영향 58
4-4-5. 반응온도 및 반응시간에 대한 영향 60
4-4-6. 셀룰로우스에 대한 고정화 산성 이온성 액체 촉매
중량 비율 영향 62
4-4-7. 셀룰로우스에 대한 금속염화물 촉매 몰 비율 영향 62
4-4-8. 셀룰로우스에 대한 이온성 액체 용매 몰 비율 영향 63
4-4-9. 셀룰로우스에 대한 물 함유량 영향 63
4-4-10. 촉매의 재사용성 평가 68

5. 결론 70
참고문헌 72
Degree
Master
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산업대학원 > 응용화학공학과
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