铁基催化剂双相体系中特夫秸秆直接催化转化制备糠醛的工艺优化与机理研究

本研究针对农业废弃物特夫秸秆的高值化利用难题，开发了FePO4催化双相溶剂体系（H2O/THF）直接转化未处理秸秆制备糠醛（FFR）的新工艺。通过响应面法（RSM）优化获得190°C、114分钟、0.36 g催化剂的最佳条件，实现60%的FFR收率（基于木糖含量），为生物质能源转化提供了经济高效的解决方案。

　　

在全球能源转型背景下，如何将每年产生的1700亿吨生物质废弃物转化为高附加值化学品成为关键课题。特夫（Eragrostis tef）作为埃塞俄比亚主粮作物，每年产生200万吨秸秆废弃物，其富含的半纤维素（木糖）是制备糠醛（Furfural, FFR）的理想原料。这种价值1500美元/吨的平台化学品广泛应用于燃料、医药和树脂领域，但传统强酸催化工艺存在设备腐蚀、环境污染等问题。印度理工学院鲁尔基分校的研究团队首次采用环境友好的FePO₄催化剂，在双相溶剂系统中实现特夫秸秆直接转化，相关成果发表于《Biomass and Bioenergy》。

研究采用响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD），通过N₂物理吸附、组分分析和木糖定量等关键技术，系统考察了温度、时间和催化剂用量的协同效应。实验所用特夫秸秆采自埃塞俄比亚阿姆哈拉地区，经40目筛分后测定其比表面积达10 m²/g，孔隙结构有利于催化剂吸附。

材料表征
组分分析显示秸秆含5.7%水分、8.2%灰分及76.7%挥发分，半纤维素中木糖占比达60.1%（Hemicellulose A）。这种特殊的孔隙结构和组分分布为后续催化提供了理想条件。

工艺优化
建立的二次模型（R²=0.97）预测在190°C、114分钟、0.36 g催化剂时获得最大FFR收率。验证实验实际产出0.049 g FFR/0.5 g秸秆，相当于60%木糖转化率，完美落入95%置信区间（0.042-0.077 g）。

残余物利用
创新性地将反应残渣用于CO₂氢化，成功生成甲烷和乙烷，实现了生物质全组分利用。

该研究不仅首次解析了特夫秸秆中半纤维素A/B的组成差异，更通过廉价铁基催化剂替代传统强酸，使FFR生产成本降低约30%。工艺中采用的THF/水双相系统有效抑制副反应，收率较单相体系提升40%。作者Rediat Terefe和Prakash Biswas指出，这项技术为发展中国家农业废弃物的规模化利用提供了可复制的技术模板，其碳负排放特性更契合全球碳中和目标。未来通过催化剂再生和溶剂回收系统的优化，有望进一步推动该技术工业化应用。