一种碳基微通道反应器及其制备方法与应用

本发明属于绿色催化与生物合成，具体涉及一种碳基微通道反应器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、微通道反应器(microreactor)是一种小型化的反应器，其尺寸通常在毫米到亚毫米的范围内。微通道反应器具有更大的表面积与体积比。由于其微小的尺寸，微通道反应器在同样的体积内可以提供更多的反应表面积，因此有助于提高反应速率和反应效率。这是因为相较于传统反应器，微通道反应器可以提供更短的反应路径和更高的质量传递能力，从而使得反应时间缩短。其次，微通道反应器具有更好的温度和物质传输控制能力。由于微通道反应器的小尺寸，热量和物质可以更快速地传递到反应物和产物之间，从而实现更好的温度控制和物质传输控制。这可以避免非均相反应中的热点问题和质量传递限制，提高反应的选择性和产率。第三，微通道反应器具有更高的安全性和可控性。微通道反应器的小尺寸使得反应热量能够更快速地散发出去，从而降低了反应的爆炸和热失控的风险。此外，微通道反应器的尺寸和结构可以进行精确地设计和加工，以实现更好的流体动力学和传热传质效果，从而实现更好的反应控制和稳定性。

2、微通道反应器的应用前景广泛。首先，在化学合成中，微通道反应器可以加速反应速率和提高产物选择性和产率，从而在药物合成、化工生产和有机合成中具有广泛应用。其次，在能源领域，微通道反应器可以用于催化剂的制备、燃料电池和氢能源的研究等方面。此外，微通道反应器还可以应用于生物工程、环境保护、食品加工等领域。但当前微通道反应一般采用玻璃、碳化硅、不锈钢等材质，孔道设计和制作比较繁琐，设备成本也很高，容易发生破裂，还要配备专门的加热和输液泵，整体设备造价高，操作比较复杂，难以广泛应用。大部分专利也仅仅涉及利用商品化微通道反应器制备化学品的工艺优化。

3、因此，开发一种孔道规则有序、尺寸可调，物理、化学稳定性高，且制备简单，成本低廉，易于放大的微通道反应器具有重大意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的第一个目的是针对现有技术中存在的问题，利用木材天然微通道结构，依次通过碳化、化学/酶催化剂固载、反应柱制作等步骤制备一种碳基微通道反应器。新型微通道反应器具有孔道规则有序，尺寸可调，物理、化学稳定性高，制备简单，成本低廉，易于放大，通过固定化酶或化学催化剂可长期稳定运行等优势，可以广泛应用与化学和酶的均相催化和非均相催化等领域。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种碳基微通道反应器的制备方法，包括以下步骤：

4、i：碳整体柱载体材料的制备：将不同尺寸的圆柱形木材放入金属离子溶液浸泡24h，取出在60-80℃干燥；然后通入惰性气体对木材进行程序升温碳化，碳化温度为300-1000℃，碳化后得到碳整体柱；

5、ii：微通道碳柱的制备：将步骤i得到的碳整体柱置于柱管中，在柱管缝隙中填满耐热胶水，常温放置直到胶水充分固化，然后在碳整体上负载催化剂，得到微通道碳柱；

6、iii：微通道反应器的构建：将步骤ii得到的微通道碳柱与预热盘管、进样泵连接，得到所述碳基微通道反应器。

7、值得说明的是，本发明采用浸渍煅烧法在木材孔道中原位固载金属催化剂，并通过进一步吸附螯合酶催化剂，可实现酶/化学串联催化反应。并且，本发明还公开了微通道连续流反应器整套设备的构建方法，所得到的碳基微通道反应器具有孔道规则有序，尺寸可调，物理、化学稳定性高，制备简单，成本低廉，易于放大，通过固定化酶或化学催化剂可长期稳定运行等优势，可以广泛应用与化学和酶的均相催化和非均相催化等领域。

8、本发明通过金属离子溶液浸泡圆柱形木材以调控碳整体柱的孔道尺寸等物理性质和催化活性及选择性。

9、为了本发明的完整实现，推荐的“程序升温碳化”采用的程序升温为：1℃/分升到300℃，300℃保温0.5-1小时；1℃/分升到500℃，500℃保温0.5-1小时；碳化后得到的碳柱体积收缩到原木体积的50-70％。但应当承认，此条件不构成本发明的技术限定。基于现有技术且无需创造性工作得到的基于程序升温的碳化方法均可以用于本发明的施行。

10、并且，本发明通过调节煅烧温度和程序升温，利用木材在不同温度和升温速率下的碳化收缩比例不同，可在10-150μm范围内调控孔道尺寸，

11、进一步的，步骤i中，所述圆柱形木材包括椴木、杨木、桦木、橡木、桐木，松木、柚木、樱桃木、枫木或杉木；所述金属离子溶液包括氯化锌溶液、氯化镍溶液、氯化铁溶液、氯化铜溶液、氯化铝溶液、硫酸锌或硫酸铝溶液；所述惰性气体包括n2、ar或co2。

12、值得说明的是，选取树木质地均匀部分做柱状切割，确保树木原生孔道沿着柱高的方向排列。

13、进一步的，所述步骤ii中：柱管材料包括不锈钢、石英、碳钢或聚四氟乙烯；耐热胶水包括聚四氟乙烯、热熔胶、固溶胶或环氧树脂；催化剂包括酶、化学催化剂中的一种或多种。

14、值得说明的是，所述耐热胶水还应当同时具有耐高温、耐溶剂、耐酸碱的性质。

15、更进一步的，所述酶催化剂包括脂肪酶、磷脂酶、蛋白酶、氧化酶、淀粉酶、纤维素酶中的一种或多种；所述化学催化剂包括：金属钯、铂、金、磺酸、对甲苯磺酸、zn2+、al3+、fe3+、ni+、cao、mgo、ch3ona中的一种或多种。

16、更进一步的，所述负载催化剂的方法包括：

17、所述酶催化剂的负载方法包括吸附法、包埋法、共价结合法、交联法或金属螯合法；

18、所述化学催化剂负载方法包括浸渍法、原位生成法、吸附法或共混煅烧法。

19、本发明可实现天然碳基材料微通道反应器的构建，其中可选择性固载化学催化剂或酶催化剂实现特异性催化或者串联催化。新型微通道反应器具有孔道规则有序，尺寸可调，物理、化学稳定性高，制备简单，成本低廉，易于放大，通过固定化酶或化学催化剂可长期稳定运行等优势，可以广泛应用与化学和酶的均相催化和非均相催化等领域。

20、本发明的第二个目的是提供如上所述的制备方法得到的碳基微通道反应器。

21、一种如上所述的制备方法得到的碳基微通道反应器，包括微通道碳柱、预热盘管和进样泵，所述微通道碳柱包括柱管和碳整体柱，且所述碳整体柱上负载有催化剂；且，

22、所述碳整体柱含有介孔-大孔分级孔，总孔体积为1.26-1.85cm3.g-1，其中介孔孔径为5-20nm，大孔平均孔径为50-300μm，比表面积为100-300m2/g，微通道数目为8000-20000个/cm2，微通道尺寸范围是10μm-150μm。

23、值得说明的是，本发明通过天然木材孔道为基，制备孔径可调的微通道反应器，运用多种方法进行化学催化剂或者酶催化剂的固载，可以广泛应用与化学和酶的均相催化和非均相催化等领域。新型微通道反应器具有孔道规则有序，尺寸可调，物理、化学稳定性高，制备简单，成本低廉，易于放大，通过固定化酶或化学催化剂可长期稳定运行等优势。

24、进一步的，所述碳整体柱孔道尺寸10-150μm，孔道内壁孔50-200nm；壁厚1-2μm；所述柱管直径为2-20cm，长度10-100cm。

25、进一步的，所述所述预热盘管长度是2-5m，直径是1-20mm。

26、进一步的，所述多个碳基微通道反应器可以串联或并联连接。

27、本发明的第三个目的是提供如上所述的碳基微通道反应器的应用。

28、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

29、所述碳基微通道反应器在均相和非均相催化反应中的应用。

30、应用时，原料溶液在进样泵的推动下经过预热盘管加热后流经碳基微通道反应器完成反应，产物从出口流出。

31、考虑到本发明技术的完整实现，推荐的微通道反应器流速为1ml/min-500ml/min；酶催化反应温度为30-70℃；化学催化反应温度为50-150℃。

32、进一步的，所述催化反应为化学和酶串联催化反应。

33、进一步的，所述催化反应中的催化剂可回收利用。

34、值得说明的是，传统微通道反应器由于微通道系统复杂，在进行催化反应时催化剂多难以回收利用。本发明通过将催化剂负载于碳整体柱上，一方面可以避免因微通道的复杂系统而导致的催化剂分布不可控的技术问题，实现了酶或化学催化剂的长期稳定运行，另一方面还实现了催化剂的回收利用，有效降低了催化反应的技术成本，为实际工业应用提供了可能。

35、本发明利用天然木材的微通道结构优势，创制绿色、高效、高稳定性和廉价、易于放大的天然碳基微通道反应器。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

36、1)天然碳柱微通道反应器具有传质、传热效率高，实现高效酶催化或化学催化制备功能性脂质和活性肽等食品功能配料；

37、2)利用天然木材精准碳化制备微通道反应柱，操作简便，成本低，孔道规整度高且可调控，流速高、易于规模化放大等优点；

38、3)可以进行均相催化和非均相催化等多种反应模式；

39、4)连续流反应器催化剂相对浓度高，反应迅速，副产物水等快速移除等特点，促进反应朝正方向进行，反应完全，副产物少，易于后期分离纯化；

40、5)天然碳整体微通道反应器刚性强，耐酸、耐碱、热稳定性和化学稳定性高，表面羧基、羟基等活性基团多，易于表面修饰，可以负载化学和酶多种催化剂，从而适用于氧化、还原、酯化、水解、等不同类型的反应；

41、6)碳化过程中可以还原pt，au，cu等金属，结合固定化酶，可以实现化学和酶串联催化。