Hoe beïnvloedt de concentratie van HMF zijn reactiviteit in katalytische of polymerisatiereacties?

Bij katalyse of polymerisatiereacties, HMF Concentratie beïnvloedt direct het aantal effectieve reactiemoleculen per volume -eenheid. Bij hogere concentraties neemt de botsfrequentie tussen moleculen toe, wat de reactiesnelheid versnelt. In multi-step-reactieroutes kan dit concentratie-effect ook de voortgang van enkele snelheidsbeperkende stappen bevorderen, waardoor de totale conversie-efficiëntie wordt verbeterd. Boven de kritische concentratie kan het systeem echter het reactiediffusiecontrolegebied binnenkomen, wat op zijn beurt de reactieactiviteit remt.

HMF is een zeer reactieve multifunctionele verbinding die vatbaar is voor verknopings- en condensatiereacties onder katalytische omstandigheden. Hoe hoger de concentratie, hoe groter de mogelijkheid van nevenreacties, zoals de zelfverdengingsreactie tussen carbonyl- en hydroxylgroepen, die macromoleculaire bijproducten zullen genereren en afzetting op het katalysatoroppervlak, wat problemen veroorzaakt zoals poriënblokkering en metaalcentrumpassivering, die in beurt leidt tot verminderde katalyst-activiteit, versnaperde selectiviteitsoverdracht of dactiveringssnelheid.

Bij de bereiding van op HMF gebaseerde functionele polymeren (zoals op bio gebaseerde fenolharsen en polyesters), is concentratiecontrole cruciaal. Hoge concentratie van HMF is bevorderlijk voor het vergroten van de kans op verknopingsreactie, waardoor een hogere mechanische sterkte en thermische stabiliteit wordt verkregen, maar het zal ook het gelrisico van het systeem verhogen, de verwerkbaarheid en vloeibaarheid verminderen en uitdagingen opleveren voor de controle van de polymerisatiesnelheid en terminalgroepen.

De toename van de HMF -concentratie zal de totale warmtebelasting van het systeem verhogen. Als de temperatuur niet correct wordt geregeld, is het gemakkelijk om de vorming van bijproducten zoals furfurale derivaten en gepolymeriseerde teer in sterke exotherme exotherreacties zoals katalytische oxidatie of uitdroging te induceren. Deze bijproducten zullen de zuiverheid van het product verminderen, de scheidingsproblemen verhogen en corrosie of blokkeringsrisico's voor apparatuur veroorzaken.

HMF-oplossing met hoge concentratie heeft vaak een hoge viscositeit, die de diffusiesnelheid van reactanten in de vloeibare fase aanzienlijk zal verminderen, de macroscopische meng- en microscopische massa-overdrachtsefficiëntie in de reactor verminderen, lokale ongelijke reactie veroorzaken en zelfs bijwerkingen in bepaalde hotspots veroorzaken. Dit stelt hogere vereisten voor het ontwerp van continue reactoren en microkanaalapparatuur, die meestal moeten worden geoptimaliseerd door een verdunnings- of vloeistofdynamisch ontwerp.

De toename van de HMF -concentratie zal frequentere condensatie, etherificatie, verestering en andere nevenreacties tussen zijn hydroxymethyl- en aldehydegroepen veroorzaken, wat resulteert in onzuiverheden met complexe structuren en moeilijk te scheiden. Deze onzuiverheden beïnvloeden niet alleen de opbrengst van het doelproduct, maar verstoren ook de selectiviteit van de analytische methode, waardoor de kosten en complexiteit van scheiding en zuivering verhogen.

HMF met een hoge concentratie is vatbaar voor een plotselinge stijging van de temperatuur van het reactiesysteem in zeer exotherme reacties zoals katalytische oxidatie, waardoor het risico op thermische wegloper van het systeem wordt uitgevoerd. Het is noodzakelijk om de distributie van de reactiewarmtestroom nauwkeurig aan te passen door intermitterende voeding, dynamische temperatuurregeling, multi-point monitoring en andere middelen om de veiligheid van apparatuur en processtabiliteit te waarborgen.33