Archive for 实验室活动

作者:杨星霞 罗嘉

     生物柴油是以清洁可再生的长链脂肪酸及其甘油三酯为原料,通过与甲醇、乙醇等低级醇的酯化和转酯化反应生成的长链脂肪酸甲酯/乙酯产物。生物柴油因为化学结构和理化性质与传统的柴油燃料相近,而被认为可以替代传统柴油用作液体燃料。该反应使用酸碱进行催化。出于减少污染、避免设备腐蚀等方面的考虑,非均相的固体碱催化剂被认为更应该取代均相的NaOH和KOH,并在长达数十年的时间里被世界范围内的众多学者广泛研究。尽管如此,非均相碱依然未能在工业生产实践中取代均相碱,究其原因在于非均相催化剂需要特别制备(成本高),而且催化剂在反应中的使用温度高(≥60-80 oC vs.均相条件的30-50 oC)、时间长(数小时到整天vs.均相条件的30-60 min)、醇挥发严重(反应需要投入更多的挥发性醇,而且这些溶剂易燃有害)。结果是非均相催化剂的经济性远逊于均相的NaOH和KOH。

     中国科学院西双版纳热带植物园生物能源研究组的硕士研究生杨星霞在罗嘉和张帆博士的指导下,将非均相碱催化剂实现甘油三酯转酯化反应的温度从原有的60-80 oC大幅降低至室温(28 oC),并在此条件下比较了ZnO、CaO、MgO、镁铝水滑石、Na2SiO3和CaSiO3等多种商业化固体碱催化大豆油和高酸值小桐子油完成反应的能力。研究证明,固体Na2SiO3(价格只有商业化CaO的一半)经过煅烧后,在室温(28 oC)、醇油比12/1和催化剂量5 wt%条件下反应12 h,就可以获得>96%的转酯化收率。其次是CaSiO3催化剂,在室温(28 oC)、醇油比为27/1和催化剂量23 wt%的条件下反应24 h,可获得>99%的转酯化收率。研究还对催化剂重复利用以及低温条件下的非均相碱催化动力学进行了有效的探讨。该研究以降低催化反应条件苛刻度、提升非均相反应经济性为目的,为非均相碱催化在工业化的生物柴油反应中取代均相催化迈出了重要的一步,为催化剂的后续改进完善指明了新方向。

     相关研究成果以“Catalytic transesterification to biodiesel at room temperature over several solid bases”为题发表在Energy Conversion and Management上(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890418302024)。该研究得到了国家科学基金青年项目(31400507,31400518)、云南省自然科学基金(2015FB184,2017FB015)和青促会项目(2017440)的支持。

作者:杨亚婷 罗嘉

     近日,能源领域著名老牌杂志Fuel以“Alcohothermal carbonization of biomass to prepare novel solid catalysts for oleic acid esterification”为题发表了中国科学技术大学和中国科学院西双版纳热带植物园联合培养的研究生杨亚婷的最新研究工作(https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.01.072)。

     在生物能源组前期研究(Applied Catalysis B-Environmental, 2016, 190: 103-114;Chemistryselect, 2017, 2(9): 2828-2831)的基础上,以葡萄糖、纤维素和两种木质素为原料,通过超临界乙醇热碳化制备生物质炭,然后通过浓硫酸磺化合成固体酸催化剂以用于油酸在60 oC的酯化反应。结果表明,一种国产碱木质素和葡萄糖醇热炭衍生得到的磺化固体酸活性最为稳定,经过四次反应循环,油酸酯化的产率仍然高于83%。另外,将不同生物质醇热炭衍生得到的磺化固体酸与之前报道最多的生物质热解炭、水热炭衍生得到的磺化固体酸进行了表面物理化学性质和催化反应活性的比较。结果表明,无论使用哪种生物质作为原料,醇热炭在磺化过程中都更容易负载上磺酸官能团和含氧官能团,也在油酸酯化反应中表现出了更好的稳定性。本研究的主要亮点在于将版纳植物园之前碳基固体酸催化相关研究中使用的一种脱碱木质素原料扩展到了其它的生物质原料,并取得了好的反应效果,为从多个侧面研究生物质醇热炭用于碳基固体酸碱催化剂的特性提供了新的数据支撑。

     该项研究工作是杨亚婷在生物能源组进行硕士学习期间,在罗嘉和张帆博士指导下完成的,得到了国家科学基金青年项目(31400507,31400518)、云南省自然科学基金(2015FB184,2017FB015)和青促会项目(2017440)的支持。

来源:人事教育处     作者:方春妍、杨文静     

      4月23号,中国科学院热带植物资源可持续利用重点实验室生物能源研究组Mazloom Shah博士后出站答辩会在版纳植物园昆明分部101会议室举行。答辩评审委员会主席由昆明理工大学贾庆明教授担任,来自云南大学、昆明理工大学、西南林业大学、中科院昆明植物研究所的7位专家担任评审委员。

      答辩会上,生物能源组代组长张帆博士介绍了Mazloom Shah在站期间的工作情况,评审委员会在听取了Mazloom Shah博士的博士后工作报告后,审阅相关资料,并进行了充分的质疑。经过评审,专家组一致认为Mazloom Shah博士顺利完成了博士后研究计划,研究了纳米催化剂Pt、Ni等制备,以及纳米催化剂应用于催化环酮类的脱氢,以及游离脂肪酸和脂肪酸酯的转化,筛选出高效Ni纳米催化剂,优化了催化硬脂酸获得最高产物收率的反应条件,报告数据可靠。Mazloom Shah在站期间工作努力,共发表了学术论文4篇,其中,以第一作者在SCI收录的国际学术期刊Catalysis Communications和Applied Catalysis A: General分别发表研究论文1篇、以合作作者发表学术论文2篇,具备较强的独立科研工作能力和较高的学术水平。经评审委员会无记名投票表决,评定等级为良好,同意通过出站答辩。

Mazloom Shah与评审专家合影

Mazloom Shah回答评审专家问题

来源:http://www.xtbg.cas.cn/xwzx/zhxw/201804/t20180427_5004179.html

      1月10日,生物能源组和推广站一行6人在段柱标主任的带领下,参观见习了云南西草资源开发有限公司(简称:云南西草)化妆品生产加工车间,并与该公司相关人员关于化妆品研发形式与市场定位进行了交流学习。1月16日,云南西草田家奇经理与推广站刘清助理受邀到生物能源组,参观了生物能源组实验设备、分析仪器与中试装置等科研平台,再次讨论了目前以美藤果油为原材料可研发的化妆品类型,并结合美藤果油物理化学特性提出了一些极具参考价值的建议。此外,生物能源组参会人员以科研的角度,对美藤果油在生产、保存以及如何配置化妆品原料的角度,提出了需要进一步着力解决的问题。大家一致认为今后会从研发、生产以及市场角度,进一步开展深度交流,致力于向市场输送以美藤果油为原料的优质、安全与畅销的系列产品。

     云南西草资源开发有限公司,2007年正式成立,是一家专注于植物资源的开发,形成研发、种植、提取、生产为一体的全产业链格局的企业,覆盖植物活性物提取及加工、化妆品的研发及生产、保健食品的研发及生产、食品的研发及生产、消毒产品的生产及销售等多种领域。

在版纳园昆明分部交流(图片由杨星霞拍摄)

 

参观云南西草生产车间(图片由何小平拍摄)

        9月22日,从《中国科学院关于公布2017年度中国科学院优秀博士学位论文评审结果的通知》和《中国科学院关于公布2017年度中国科学院优秀导师奖评审结果的通知》中获悉,版纳植物园生物能源研究组2016届博士毕业生张帆获得2017年度中国科学院优秀博士学位论文奖,其导师方真研究员获优秀导师奖。 

  张帆于2013年9月开始博士阶段学习,师从方真研究员,主要研究方向为热带植物资源绿色转化合成高值生物化学品。在中科院“一三五”项目突破二课题(XTBG-T02)的支持下,顺利完成博士学位论文:“碳基磁性催化剂制备及其催化合成生物柴油绿色工艺研究”,该论文围绕利用小桐子果壳、种皮和竹粉等热带生物质废弃物替代传统葡萄糖和活性炭为碳质材料,制备出多种可磁场分离的新型碳基磁性固体酸/碱催化剂(ZL 201610754946.6,ZL 201410764721.X);并通过多种表征分析方法详细阐述了反应与合成机理;最后利用自主设计组建的连续流动釜式反应装置(ZL 201620978132.6,ZL 201420785283.0)协同催化剂高效清洁合成生物柴油,以此实现了废弃植物残渣综合利用制备催化剂并用于合成生物柴油及副产物甘油转化的绿色工艺研究。 

  在版纳植物园及导师们的悉心培养与指导下,他在攻读博士及获得学位后一年期间,分别以通讯或第一作者在Green Chemistry, Applied EnergyEnergy Conversion and Management等TOP10%国际期刊上发表研究性论文5篇,另以第一或参与作者发表SCI论文6篇,申请授权专利6项,主持国家自然科学基金、中科院青年创新促进会与云南省应用基础研究项目等。  

       引自http://www.xtbg.ac.cn/xwzx/zhxw/201709/t20170925_4864510.html

   

        7月13号上午,云南山洼洼农业科技股份有限公司周乐云总经理带队来到版纳园生物能源组参观交流。这是继7月5号推广站与生物能源组成员到该公司交流后的再一次交流讨论。两次交流期间,双方就美藤果油开发的市场定位、产品细分以及美藤果的种植、加工方面进行深入交流。

        期间山洼洼公司分享了国内美藤果油的市场调研情况,指出美藤果作为一种富含α—亚麻酸的高端油料,通过冷压榨提炼的果油具有广阔的市场前景,并就美藤果油产品形式提出独到见解。

        随后,生物能源组张帆博士、罗嘉博士带领山洼洼公司成员参观了生物能源组的实验平台,并介绍了版纳园的公共服务中心实验平台,双方就美藤果油产品研发方向达成初步共识。

7月13号版纳园昆明分部讨论会

7月5号山洼洼公司座谈会

O2016年5月23日,由昆明理工大学、西南林业大学5位专家组成的答辩委员会听取了由生物能源研究组2016年硕士毕业生朱长辉和博士毕业生张帆的论文报告和答辩。经答辩委员会讨论和无记名投票表决,一致同意朱长辉同学和张帆同学通过学位论文答辩,建议按有关规定授予理学硕士学位和博士学位。在此毕业之际,向朱长辉同学和张帆同学表示祝贺。

Biomass group master student, Changhui Zhu and doctor student, Fan Zhang passed their defenses of degree dissertation in 2016

On May 23th, 2016, five experts from Kunming University of Science and Technology and Southwest Forestry University listend to the reports and defenses of Mr. Changhui Zhu, a master student and Mr. Fan Zhang , a doctor student in biomass group that were expected to be graduated in 2016. After the discussion and secret ballot, five dissertation committee members all agreed the theses and defense of Changhui Zhu and Fan Zhang, and suggested that the academic degree evaluation committee of Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, CAS, award Mr. Zhu the master’s degree and Mr. Zhang the doctor’s degree in science, according to relevant regulations. On the occasion of graduation, congratulations to Changhui Zhu and Fan Zhang!

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Biodiesel is synthesized successfully in a pilot continuous compacted flow reactor (3-5 t/day) designed by biomass group

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video:

http://woodrefinery.com/zhenfang/wp-content/uploads/2016/05/60S480p_bitrate_130.mp4?_=1

Supported by CAS “135” projects (XTBG-T02), “study on the scientific basis for large-scale synthesis of Jatropha biodiesel”, under the guidance of Prof. Zhen Fang, Mr. Zhang fan (doctoral student) designed and set up a patented continuous flow reactor (ZL 201420785283.0) for biodiesel production. The reactor system is composed of control panel, continuous feeding unit, reaction body, continuous discharge unit, product purification and separation unit.

Jatropha biodiesel was produced successfully on 28 April, 2016, with biodiesel production up to 3-5 tons/day in a 5 L of vessel volume (operating space). Compared with traditional batch and flow reactors, the reactor has superior characteristics of small volume, low energy consumption, and high production efficiency. Assisted with magnetic solid base (CN 201410764721.X) and solid acid catalysts prepared by Biomass group, green production of biodiesel was realized successfully with catalyst cycles. Related results were patented and published in international journals, Fuel, Energy, Applied Energy and Green Chemistry.

Related patents and papers:

[1] Fan Zhang, X.H. Wu, M. Yao, Zhen Fang*, Y.T. Wang. Production of Biodiesel and Hydrogen from Plant Oil Catalyzed by Magnetic Carbon-Supported Nickel and Sodium Silicate, Green Chemistry. 2016

[2] Fan Zhang, Zhen Fang*, Y.T. Wang. Biodiesel Production Direct from High Acid Value Oil with a Novel Magnetic Carbonaceous Acid, Applied Energy, 2015; 155: 637-647.

[3] Fan Zhang, Zhen Fang*, Y.T. Wang. Biodiesel Production Directly from Oils with High Acid Value by Magnetic Na2SiO3@Fe3O4/C Catalyst and Ultrasound, Fuel, 2015; 150: 370-377.

[4] Y.T. Wang. Zhen Fang*, Fan Zhang, B.J. Xue. One-step Production of Biodiesel from Oils with High Acid Value by Activated Mg-Al Hydrotalcite Nanoparticles, Bioresource Technology, 2015; 193: 84-89.

[5] B.J. Xue, J. Luo, Fan Zhang, Zhen Fang*, Biodiesel Production from Soybean and Jatropha Oils by Magnetic CaFe2O4-Ca2Fe2O5-Based Catalyst, Energy, 2014; 68: 584-591.

[6] 张帆,方真*,薛宝金,苏同超,王一同。用于可溶性糖及生物柴油制备的连续流动釜式反应装置,新型专利,ZL 201420785283.0.

  • [7] 张帆,方真*。一种碳基磁性固体碱催化剂及其应用,发明专利,CN 201410764721.X (受理中).

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生物能源组设计组建的连续流动釜式反应装置

成功用于生物柴油连续高效合成

连续流动釜式反应装置连续高效合成生物柴油 (Continuous production of biodiesel, 3-5 t/day)

由中科院“一三五”项目突破二课题“小桐子规模化合成生物液体燃料的科学基础研究”的支持,在导师方真研究员的悉心指导下,在职博士生张帆作为项目主要完成人设计组建了连续流动釜式反应装置(ZL 201420785283.0),该装置由操控台、连续进料单元、反应釜主体、连续出料单元、产物纯化和分离单元等组成,该连续流动釜式反应装置可以同时解决:传统间歇批次釜式反应装置需要批次进料、反应效率低和反应能耗高等问题;以及传统连续流动管式反应装置混合效果差、固体催化剂易堵塞管路和需要提供持续高压等问题。

2016年4月28日,生物能源组利用连续流动釜式反应装置成功实现了小桐子生物柴油连续合成工艺,仅5L的釜体容积,5 m2的操作空间,生物柴油产量即可达到3-5吨/天,与传统批次或流动反应装置相比,体现出外型小、能耗低和效率高等优越特性。结合本课题组设计制备的碳基磁性固体碱催化剂(CN 201410764721.X)和磁性含碳固体酸催化剂,有望解决催化剂分离回收成本高、反应区域难以控制和固体催化剂堵塞管路等工业难题,同时未参与反应的甲醇可及时回收再利用,生物柴油副产物甘油可以水热气化合成氢气,从而实现连续高效合成生物柴油的绿色工艺研究。相关研究成果已经在Fuel, Energy, Applied EnergyGreen Chemistry等国际期刊上发表,并得到国内外专家学者的宝贵建议和充分肯定。

Recently, Elsevier-Scopus  listed Prof. Zhen Fang in “Most Cited Chinese Researchers” in energy for 2015 again after 2014.
继2014年,方真研究员再次进入2015年“中国高被引学者”能源领域榜单(Elsevier-Scopus).
Prof. Zhen Fang (PhDs Eng., McGill; CAU); a researcher in bioenergy; inventor of “fast hydrolysis” process; Editor-in-Chief, Springer Book Series – Biofuels and Biorefineries; Associate Editor, Biotechnology for Biofuels (IF 6.2, Highest IF in Biofuels); and Editorial Advisory Board Members of Biofpr (Biofuels, Bioproducts and Biorefining, IF 4.3) and Energy, Sustainability and Society (a Springer open Journal).

2015年“中国高被引学者榜单”研究数据和技术分析基于全球最大的同行评议学术论文索引摘要数据库(Scopus数据库),该数据库收录来自全球超过5000个出版商、21000种期刊的5500余万条文献索引,覆盖各个学科,并提供各种工具用于追踪、分析和可视化学术研究,通过对客观引用数据的分析,对研究者在世界范围内的影响力进行系统的评价。此次榜单中,来自中国的社会科学、物理、化学、数学、经济等38学科的1744名最具世界影响力的中国学者入选。

http://www.zuihaodaxue.com/Article.jsp?id=WzQpgBmjMtkbcp4LvpaLvG8oNQTgE8)

2014:

11.4%的中国科学院院士是高被引学者

3.7%的中国工程院院士是高被引学者

17.6%的长江学者特聘教授是高被引学者

18.1%的国家杰出青年科学基金获得者是高被引学者

Biomass group was evaluated as the best group for 2015

Recently, Biomass group was evaluated as best group of Key Laboratory of Tropical Plant

Resources and Sustainable Use of CAS for 2015, and excellent research group of Xishuangbanna Tropical Botanical Garden for 2015.

Congratulations!
生物能源组被评为2015年优秀小组

最近,生物质组被评为2015年度中国科学院热带植物资源和可持续利用重点实验室的最佳小组,以及2015年度西双版纳热带植物园的优秀研究小组。

2015excellent group

 
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