毛竹热解行为及预处理影响的研究

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随着时代的发展,化石燃料日益枯竭,由使用化石燃料而引起的环境污染问题日益严重,生物质能的开发和利用越来越受到重视。竹材是重要的森林资源之一,在我国,分布广,资源蕴藏量大,是一种理想的可再生生物质资源。本文对毛竹在热重(TG)及管式炉中的热解行为进行了深入系统的研究和探讨,并引入水洗及酸洗作为热解过程的预处理,针对预处理对原料及其热解行为的影响进行了深入及全面的分析。实验结果对深入认识竹材热解规律、设计及优化竹材热解加工工艺、开发高附加值的热解产品具有重要的指导意义。本文首先采用热重(TG)分析,研究了毛竹在惰性气氛下、较慢(5-50 K/min)和较快(100-200 K/min)升温速率时的失重行为。分别采用模式函数法和等转化率法对非等温动力学过程进行拟合。通过对动力学结果进行比较和分析,结合可能的热解机理,对不同热解条件下毛竹的热解行为进行讨论。结果表明,建立的动力学模型可较好地模拟毛竹热解失重行为,并可在一定程度上反映真实的热解过程。在热重实验基础上,自行设计管式炉反应器,对毛竹原料进行热解实验,收集液体产物进行GC/MS及GC分析,考察了升温速率及反应终温对三种产物(固体炭、液体及气体)产率及几种液体组分(糠醛、苯酚、愈创木酚)含量的影响,对有机小分子及酚类产物的生成过程进行了一定程度的探讨。结果表明,采用管式炉对毛竹进行热解时,当升温速率较慢/反应终温较低时,主要为半纤维素和纤维素的热解反应,其初级反应产物将进一步反应生成酚类物质;较快的升温速率(较大的加热功率)/较高的反应温度有利于木素热解,使酚类产物产率明显上升,同时半纤维素及纤维素产物的二次反应将被抑制。采用不同的预处理条件(浸洗时间、酸浓度)对毛竹样品进行水洗及稀硫酸洗预处理,在之后的热重及管式炉热解实验中,对毛竹原样及处理样在不同条件下(TG中不同的升温速率、管式炉实验中不同的升温速率和反应终温)的热解行为分别进行动力学及热解产物分析,深入讨论了预处理对热解行为的影响及其原因。采用水洗及稀硫酸洗对毛竹样品进行预处理,对样品性质的主要改变包括:(1)去离子作用:水洗可明显脱除竹材中的灰分,酸洗的脱灰分作用与水洗相当。(2)对大分子结构的影响:采用稀硫酸对样品进行预处理,将破坏大分子物理结构。(3)水洗将在原料中添加少量水份,酸洗将在热解反应中引入酸性离子,对热解产物的分布造成影响。(4)水洗及酸洗对样品中主要化学成分的含量也将造成一定影响,但这一变化对热解的影响与其他因素相比并不明显。从热解动力学角度看,预处理对碱金属离子的移除作用对热解影响最为明显,使热解更易发生;从产物生成角度看,预处理在一定程度上改变了热解产物的生成路径,从而增加了液体产物中的糠醛浓度,经预处理后的毛竹热解对生产呋喃及其衍生物具有一定的应用前景。
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