多源生物质基活性炭制备实验研究

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随着社会经济的发展和全球能源需求快速增长,生物质作为可再生能源在全球能源体系中扮演的角色越来越重要。我国生物质资源丰富,可利用潜力巨大,将生物质以热解的方式转化为热解炭和木醋液、将热解炭通过物理活化法制备活性炭,可以很好的实现农林废弃物的资源化综合利用。本研究针对多源生物质自身特性和热解特性开展了探究,从组分分析结果来看,果核类的半纤维素含量最高,硬木类、软木类等木材的纤维素含量最高,秸秆类的组分含量相对均比较中庸,而枣树的木质素含量非常高。各生物质之间的工业分析和元素分析结果差异相对并不大,从工业分析来看,其70%以上的组分为挥发分,固定碳含量均不足20%,从元素分析来看,生物质中的主要元素是C、O元素,均在35%以上。探究了生物质热解的相关规律,将生物质的热解大致分为五个阶段(以果核类为例):干燥段(25℃-120℃)、预热段(120℃-190℃)、挥发分析出段(190℃-680℃)、热解成型段(680℃-910℃)、再分解段(910℃以上)。将不同生物质按其热解阶段对应的温度从高到低排序:果核类>硬木类>软木类>秸秆类,果核类>果木类>特殊木料类。以松木为原料探究了热解条件对热解产物的影响,在生物质热解中,热解温度对热解产物得率的影响最大,其次是原料粒径,与热解温度对产物得率的影响相比热解时间和升温速率对产物得率的影响最小。采用CO2和水蒸气活化法对热解炭进行活化,发现对活化得率和碘吸附值影响较大因素为活化温度、活化时间,其次是活化气体浓度及流量,升温速率的影响相对最小。当CO2和水蒸气共活化时,固定其中一种活化气体浓度,随着变量活化气体浓度的增加,活化得率越来越低,碘吸附值越来越高。在多源生物质热解、活化实验中得出了多源生物质热解产物得率差异,其中热解炭得率大致为:果核类>秸秆类>硬木类>软木类,果核类>果木类>特殊木料类;木醋液得率大致为:硬木类>软木类>果核类>秸秆类,果木类>特殊木料类>果核类;活性炭最终得率大致为:果核类>硬木类>软木类>秸秆类,果核类>果木类>特殊木料。从碘吸附值测试结果来看,除秸秆类活性炭之外的活性炭均至少可以达到二等品的水平,果核类和果木类活性炭更是可以达到一等品的水平。各生物质活性炭的大部分表面官能团有一定相似性,也各有其独有的特征表面官能团。所有种类活性炭均检测到了丰富的孔隙结构,果核类活性炭的结构主要来源于其种孔以及导管结构,其他类型活性炭则源于其导管的薄壁管束结构。就其表面微区成分而言,果核类活性炭主要以K为主,木材类和玉米秸秆活性炭主要以K、Ca为主,棉花秸秆活性炭中除了含量较多的元素K、Ca之外,还检测到了 Na、Mg、Cl等。本研究的结果可用于指导多源生物质木醋液、热解炭和活性炭的生产,对农林废弃物的处理和资源化利用具有指导意义。
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