Làm thế nào để nồng độ của HMF ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của nó trong các phản ứng xúc tác hoặc trùng hợp?

Trong các phản ứng xúc tác hoặc trùng hợp, HMF Nồng độ ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng phân tử phản ứng hiệu quả trên mỗi đơn vị thể tích. Ở nồng độ cao hơn, tần số va chạm giữa các phân tử tăng lên, làm tăng tốc độ phản ứng. Trong các con đường phản ứng nhiều bước, hiệu ứng nồng độ này cũng có thể thúc đẩy tiến trình của một số bước giới hạn tỷ lệ, do đó cải thiện hiệu quả chuyển đổi tổng thể. Tuy nhiên, trên nồng độ tới hạn, hệ thống có thể đi vào vùng điều khiển khuếch tán phản ứng, từ đó ức chế hoạt động phản ứng.

HMF là một hợp chất đa chức năng phản ứng cao, dễ bị liên kết ngang và phản ứng ngưng tụ trong điều kiện xúc tác. Nồng độ càng cao, khả năng của các phản ứng phụ càng lớn, chẳng hạn như phản ứng tự tích tụ giữa các nhóm carbonyl và hydroxyl, sẽ tạo ra các sản phẩm phụ của phân tử phân tử và lắng đọng trên bề mặt xúc tác, gây ra các vấn đề như tắc nghẽn lỗ chân lông và sự thụ động của trung tâm kim loại.

Trong việc chuẩn bị các polyme chức năng dựa trên HMF (như nhựa phenolic dựa trên sinh học và polyesters), kiểm soát nồng độ là rất quan trọng. Nồng độ cao của HMF có lợi cho việc tăng khả năng phản ứng liên kết chéo, do đó đạt được độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt cao hơn, nhưng nó cũng sẽ làm tăng nguy cơ gel của hệ thống, giảm khả năng xử lý và tính lưu loát, và mang lại những thách thức đối với việc kiểm soát tốc độ trùng hợp và nhóm đầu cuối.

Sự gia tăng nồng độ HMF sẽ làm tăng tổng tải nhiệt của hệ thống. Nếu nhiệt độ không được kiểm soát đúng cách, dễ dàng tạo ra sự hình thành các sản phẩm phụ như dẫn xuất furfural và TAR trùng hợp trong các phản ứng tỏa nhiệt mạnh như oxy hóa hoặc khử nước xúc tác. Những sản phẩm phụ này sẽ làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm, tăng độ khó phân tách và gây ra rủi ro ăn mòn hoặc tắc nghẽn cho thiết bị.

Dung dịch HMF nồng độ cao thường có độ nhớt cao, điều này sẽ làm giảm đáng kể tốc độ khuếch tán của các chất phản ứng trong pha lỏng, làm giảm sự pha trộn vĩ mô và hiệu quả truyền khối lượng hiển vi trong lò phản ứng, gây ra phản ứng không đồng đều cục bộ và thậm chí gây ra các phản ứng bên xảy ra ở một số điểm nóng nhất định. Điều này đặt các yêu cầu cao hơn về thiết kế của các lò phản ứng liên tục và thiết bị vi mạch, thường cần được tối ưu hóa thông qua thiết kế động chất pha loãng hoặc chất lỏng.

Sự gia tăng nồng độ HMF sẽ gây ra sự ngưng tụ, etherization, ester hóa thường xuyên hơn và các phản ứng phụ khác giữa các nhóm hydroxymethyl và aldehyd của nó, dẫn đến tạp chất với các cấu trúc phức tạp và khó phân tách. Những tạp chất này không chỉ ảnh hưởng đến năng suất của sản phẩm mục tiêu, mà còn can thiệp vào tính chọn lọc của phương pháp phân tích, làm tăng chi phí và độ phức tạp của phân tách và tinh chế.

HMF tập trung cao có xu hướng gây ra sự gia tăng đột ngột trong nhiệt độ của hệ thống phản ứng trong các phản ứng tỏa nhiệt cao như quá trình oxy hóa xúc tác, mang lại nguy cơ chạy trốn nhiệt của hệ thống. Cần phải điều chỉnh chính xác phân bố dòng nhiệt phản ứng thông qua việc cho ăn không liên tục, kiểm soát nhiệt độ động, giám sát đa điểm và các phương tiện khác để đảm bảo an toàn thiết bị và ổn định xử lý.