Ключові слова
Як цитувати
Анотація
Важливим продуктом перетворення вуглеводів біомаси є 5-гідроксиметилфурфурол як потенційний сировинний компонент широкого ряду важливих хімічних речовин. Метою роботи було дослідження конверсії глюкози до 5-гідроксиметилфурфуролу в присутності модифікованих клиноптилолітової та морденіт-клиноптилолітової цеолітових порід Закарпаття. Синтезовано ряд кислотних каталізаторів шляхом рідкофазного іонного обміну нативних катіонів на катіони кальцію, лантану та амонію, а також шляхом деалюмінування хлоридною та етилендіамінтетраоцтвою кислотою. Охарактеризовано їх властивості за допомогою рентгено-фазового та рентгенофлуорисцентного аналізу, низькотемпературної адсорбції/десорбції азоту та ІЧ-спектроскопії. Здійснено оцінку кислотності зразків за титруванням з н-бутиламіном. Кислотна обробка зразків сприяла зростанню питомої поверхні зразків на порядок. Зразки випробувано у перетворенні 9 % водного розчину глюкози до 5-гідроксиметилфурфуролу. Склад продуктів реакції аналізували за допомогою газової хроматографії. Було розраховано конверсії глюкози та виходи 5-гідроксиметилфурфуролу, левуліновї кислоти та фруктози. Конверсії глюкози склали від 30 до 70 %. Результати проаналізовано у відповідності до особливостей природи активних центрів та пористої структури каталізаторів. Встановлено, що найкращі виходи 5-гідроксиметилфурфуролу характерні для зразків із наявністю льюїсових кислотних центрів у вигляді позакаркасного алюмінію та багатозарядних катіонів. Оскільки перетворення глюкози перебігає переважно на зовнішній поверхні цеолітних кристалів та у входах у порожнини, то полікатіонна форма клиноптилоліту, незважаючи на її низьку пористість, демонструє найвищий вихід 5-гідроксиметилфурфуролу.
Посилання
Esteban J., Yustos P., Ladero M. Catalytic processes from biomass-derived hexoses and pentoses: a recent literature overview. Catalysts., 2018, 8, 637-678.
https://doi.org/10.3390/catal8120637
Chen N., Zhu Z., Ma H., Liao W., Lü H. Catalytic upgrading of biomass-derived 5-hydroxymethylfurfural to biofuel 2,5-dimethylfuran over Beta zeolite supported non-noble Co catalyst. Mol. Catal., 2020, 486, 110882.
https://doi.org/10.1016/j.mcat.2020.110882
Xu H., Wang Z., Huang J., Jiang Y. Thermal Catalytic Conversion of Biomass-Derived Glucose to Fine Chemicals. Energy Fuels, 2021, 35(10), 8602-8616.
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c00715
Tomishige K., Yabushita M., Cao J., Nakagawa Y. Hydrodeoxygenation of potential platform chemicals derived from biomass to fuels and chemicals. Green Chem., 2022, 24, 5652-5690.
https://doi.org/10.1039/D2GC01289H
Choudhary V., Mushrif S.H., Ho C., Anderko A., Nikolakis V. et al. Insights into the interplay of Lewis and Brønsted acid catalysts in glucose and fructose conversion to 5-(hydroxymethyl)furfural and levulinic acid in aqueous media. J. Am. Soc., 2013, 135, 3997-4006.
https://doi.org/10.1021/ja3122763
Bhaumik P., Dhepe P.L. Solid Acid Catalyzed Synthesis of Furans from Carbohydrates. Catal. Rev., 2016, 58(1), 36-112.
https://doi.org/10.1080/01614940.2015.1099894
Li J., Li J., Zhang D., Liu C. Theoretical elucidation of glucose dehydration to 5-hydroxymethylfurfural catalyzed by a SO3H-functionalized ionic liquid. J. Phys. Chem. B, 2015, 119, 13398-13406.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b07773
Barbosa S.L., de S. Freitas M., dos Santos W.T.P. et al. Dehydration of d-fructose to 5-hydroxymethyl-2-furfural in DMSO using a hydrophilic sulfonated silica catalyst in a process promoted by microwave irradiation. Sci. Rep., 2021, 11, 1919.
https://doi.org/10.1038/s41598-020-80285-2
Pande A., Niphadkar P., Pandare K., Bokade V. Acid modified H-USY zeolite for efficient catalytic transformation of fructose to 5-hydroxymethylfurfural (biofuel precursor) in methyl isobutyl ketone−water biphasic system. Energy Fuels., 2018, 32(3), 3783-3791.
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b03684
Levytska S.I. Investigation of glucose isomerization into fructose on MgO-ZrO2 catalyst in flow mode. Catalysis and Petrochemistry, 2017, 26, 46-52. [in Ukrainian].
Huang F., Jiang T., Dai H., Xu X., Jiang S., Xhen L., Fei Z., Dyson P.J. Transformation of glucose to 5-hydroxymethylfurfural over regenerated cellulose supported Nb2O5 center dot nH2O in aqueous solution. Catal. Letters., 2020, 10, 13489-13495.
https://doi.org/10.1007/s10562-020-03160-9
Wei W.Q., Wu S.B. Experimental and kinetic study of glucose conversion to levulinic acid in aqueous medium over Cr/HZSM-5 catalyst. Fuel, 2018, 225, 311-321.
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.120
Patrylak K., Bobonych F., Voloshyna Yu. et al. Ukrainian mordenite-clinoptilolite rocks as a base for linear hexane isomerization catalyst. Appl. Catal. A Gen., 1998, 174(1-2), 187-198.
https://doi.org/10.1016/S0926-860X(98)00196-3
Patrylak L., Konovalov S., Yakovenko A., Pertko O., Povazhnyi V. et al. Fructose transformation into 5-hydroxymethylfurfural over natural transcarpathian zeolites. Сhem. Chem. Technol., 2022, 16(4), 521-531.
Patrylak L., Konovalov S., Zubenko S., Yakovenko A. Transformation of hexoses on natural and synthetic zeolites. Сhem. Chem. Technol., 2023, 17(2), 287-293.
https://doi.org/10.23939/chcht17.02.287
Vasylechko V., Sydorchuk V., Manko N., Kostiv O., Klyuchivska O., Ilkov O., Bagday S., Zelinskiy A., Gromyko A., Stoika R., Kalychak Ya. Effect of physico-chemical modification of clinoptilolite composites on their antimicrobial activity. Chem. Chem. Technol., 2025, 19(2), 183-195.
Breck D.W. Zeolite molecular sieves: structure, chemistry and use. - John Wiley, New York, 1974.
Ahmed A.M., Jarullah A.T., Hussein H.M., Ahmed A.N. Mordenite-Type Zeolite from Iraq Sand: Synthesis and Characterization. J. Petrol. Research and Studies, 2023, 13(3), 126-142.
https://doi.org/10.52716/jprs.v13i3.709
Voloshyna Yu., Pertko O., Pavazhnyi V., Yakovenko A. Effect of modifying the clinoptilolite-containing rocks of Transcarpathia on their porous characteristicss and catalytic properties in the conversation of C6-hydrocarbons. Chem. Chem. Technol., 2023, 17(2), 373-385.
https://doi.org/10.23939/chcht17.02.373
Anderson M.W., Klinowski J. Zeolites treated with silicon tetrachloride vapour. Part 1 - Preparation and characterization. J. Chem. Soc., Faraday Trans.1, 1986, 82, 1449-1496.
https://doi.org/10.1039/f19868201449
Mahala S., Arumugam S.M., Kumar S., Devi B., Elumalai S. Tuning of MgO's base characteristics by blending it with amphoteric ZnO facilitating the selective glucose isomerization to fructose for bioenergy development. Nanoscale Adv., 2023, 5(9), 2470-2486.
https://doi.org/10.1039/D3NA00097D
Khivantsev K., Jaegers N.R., Kovarik L., Derewinski M.A., Kwak J.-H., Szanyi J. On the nature of extra-framework aluminum species and improved catalytic properties in steamed zeolites. Molecules, 2022, 27(7), 2352.
https://doi.org/10.3390/molecules27072352
Patrylak L.K., Konovalov S.V., Yakovenko A.V., Pertko O.P., Povazhnyi V.A., Voloshyna Yu.G., Melnychuk O.V., Filonenko M.M. Micro-mesoporous kaolin-based zeolites as catalysts for glucose transformation into 5-hydroxymethylfurfural. Appl. Nanosci., 2023, 13(7), 4795-4808.
https://doi.org/10.1007/s13204-022-02620-5
Patrylak L.K., Pertko O.P., Povazhnyi V.A., Yakovenko A.V., Konovalov S.V. Evaluation of nickel-contaning zeolites in the catalytic transformation of glucose in an aqueous medium. Appl. Nanosci., 2022, 12(4), 869-882.