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        預(yù)處理對生物質(zhì)熱解生物油的影響

        2019-11-07 11:04:26霍嬋劉石明陳軍張宇
        生物化工 2019年5期
        關(guān)鍵詞:生物

        霍嬋,劉石明,陳軍,張宇

        (1.開封市對外科技交流中心,河南開封 475000;2.華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院,湖北武漢 430000)

        能源安全與環(huán)境問題促使人們開展可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用研究。作為地球上極為豐富的資源之一,生物質(zhì)擁有的能量相當于全世界能源總消耗量的10~20倍,而利用率卻只有3%左右[1],其轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)是當今新能源開發(fā)領(lǐng)域的前沿技術(shù)與熱點領(lǐng)域。

        生物質(zhì)的熱解、氣化、產(chǎn)油、炭化等過程已經(jīng)投入了廣泛的研究。熱解是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料的熱化學關(guān)鍵轉(zhuǎn)化技術(shù)之一,植物中的纖維素和半纖維素發(fā)生解聚反應(yīng)形成1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖等脫水糖[2],然后脫水糖分解形成呋喃醛、酮、酸、糠醛等形成生物油的主要化合物以及一些小分子氣體。植物中的木質(zhì)素由于結(jié)構(gòu)不同,側(cè)鏈不同,因此發(fā)生不同的裂解反應(yīng)[3],在熱解油中木質(zhì)素的主要產(chǎn)物有苯酚,愈創(chuàng)木酚,鄰苯二酚的衍生物等等。

        但是生物質(zhì)在熱解的過程中產(chǎn)生大量的焦炭和大分子焦油,而上述有利用價值的產(chǎn)物卻是很少量的,有研究用水熱法[4]和酸催化水解[5]來提高降解產(chǎn)率?;瘜W水解的優(yōu)勢是通過改變反應(yīng)條件如溶劑、催化劑、溫度等可以相對簡單的使反應(yīng)定向進行,但是木屑中的無機物和其他雜質(zhì)會對溶劑的長期使用產(chǎn)生不利影響,所以要經(jīng)常更新。作為溶劑的替代品,催化熱解中也經(jīng)常使用固體催化劑[6]如ZnO、ZSM-5、DHC-32等,但是這種方法的弊端是產(chǎn)生的焦炭會沉積在催化劑表面,使催化劑“中毒”。

        木屑主要由三種高分子成分組成,按照單元結(jié)構(gòu)組成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。纖維素是由以β-1,4-糖苷鍵連接的β-D-葡萄糖組成,半纖維素是由以β-1,4- 和β-1,6-糖苷鍵連接的甘露糖、木糖和葡萄糖等各種糖組成,木質(zhì)素主要是以β芳醚鍵連接的香豆醇、松柏醇、芥子醇單體組成。由此可見,C-O鍵在纖維素、半纖維素、木質(zhì)素單體的連接中起著重要作用。這些價鍵中的大多數(shù)在有酸存在的環(huán)境中可以水解,有助于無催化劑時木材組分的熱解[7]。

        在本文中研究了常溫常壓下相同濃度的硫酸、乙酸、丙酮預(yù)處理后的熱解產(chǎn)物,選擇松木作為生物質(zhì),預(yù)處理后的樣品在石英管中無催化熱解。

        1 材料與方法

        1.1 實驗材料與試劑

        松木(取自武漢東山)、硫酸(分析純)、乙酸(分析純)、丙酮(分析純)、氮氣(高純)。

        1.2 實驗儀器

        電子天平(北京賽多利斯系統(tǒng)有限公司)、集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(上海振捷實驗設(shè)備有限公司)、管式爐(武漢電爐實驗電爐廠)、電熱恒溫干燥箱(湖北黃石市醫(yī)療器械廠)、沙篩(浙江上虞市道墟張興沙篩廠)、超純水儀(武漢品冠儀器設(shè)備有限公司)、破碎機(溫嶺市林大機械有限公司)、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent7890A/5975C型)。

        1.3 實驗方法

        將松木在105℃的烘箱中干燥24小時后破碎過篩得到粒徑180~150μm的木屑。

        配制2mol/L的硫酸、乙酸、丙酮溶液,將木屑加入溶液當中,在室溫(25 ℃)下分別攪拌3 h。攪拌完成后過濾并洗滌至中性。然后將洗滌后的樣品在105℃的烘箱中烘24h,得到干燥后的預(yù)處理樣品。

        把預(yù)處理樣品置于熱解爐中,每次實驗稱取5g預(yù)處理后木屑樣品放入石英管熱解,熱解實驗溫度設(shè)定為550 ℃,熱解時間為20 min,集氣袋收集實驗氣體產(chǎn)物、收集瓶收集液體產(chǎn)物,固體產(chǎn)物留在熱解爐中。得到的生物油用干燥劑除去油中的水分,過濾分離生物油中的固體雜質(zhì),剩下的即為液態(tài)的生物油。

        1.4 分析方法

        用GC-MS對生物油分析,GC色譜柱為HP-5MS,30m×0.25 mm×0.25 μm石英毛細管柱,其載氣為氦氣。GC升溫的主要程序為:以40 ℃/min速度升溫4 min,再以10 ℃/min的速度升到300 ℃并保持5 min,結(jié)束升溫,整個過程持續(xù)35 min,可得生物油的總離子流圖。將得到的樣品色譜圖與MS自配的標準譜圖進行對照匹配,可得生物油中的各化學成分種類和含量。

        2 結(jié)果分析

        2.1 不同溶劑預(yù)處理對產(chǎn)物分布的影響

        如圖1,實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),不同溶劑預(yù)處理對松木木屑制備生物油均有不同程度的促進作用。未處理的木屑樣品熱解生物油產(chǎn)率為14%,經(jīng)硫酸、乙酸、丙酮預(yù)處理后油產(chǎn)量百分數(shù)分別提高了20%、4%和14%;經(jīng)硫酸、乙酸、丙酮預(yù)處理后氣體產(chǎn)量百分數(shù)由原來的74%減少了30%,13%,24%;焦炭產(chǎn)率經(jīng)不同溶劑預(yù)處理后大致相同??梢钥闯觯?jīng)硫酸溶液預(yù)處理后的熱解生物油產(chǎn)量比乙酸和丙酮有更明顯的提高。

        圖1 不同種類溶劑對產(chǎn)物分布的影響

        2.2 不同溶劑預(yù)處理對熱解油的影響

        用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀檢檢測得到的熱解液體產(chǎn)物,結(jié)果可得,不同方式預(yù)處理后木屑熱解生物油所含成分發(fā)生了不同程度的改變。未經(jīng)處理的木屑熱解生物油中1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖的含量為5%,經(jīng)硫酸處理的木屑熱解生物油含量達到18%,未處預(yù)處理的熱解生物油含有大量乙酸、硬脂酸、軟脂酸、戊二酸等各種脂肪酸,經(jīng)過預(yù)處理后檢測到生物油中酸類物質(zhì)和醛類物質(zhì)含量均明顯降低。由于熱解產(chǎn)物中脫水糖含量增加,相對抑制了酸類和醛類物質(zhì)的生成,生物油中的酸類物質(zhì)使其具有腐蝕性,不利于儲存運輸[8],醛類物質(zhì)活性較高,使生物油不穩(wěn)定,經(jīng)預(yù)處理后的生物質(zhì)熱解油中酸和醛含量降低有利于生物油的廣泛使用。

        木屑中的木質(zhì)素經(jīng)熱解后主要產(chǎn)生各種各樣的酚類產(chǎn)物,如愈創(chuàng)木酚、甲苯酚、鄰苯二酚,酚類在一定的條件下會繼續(xù)分解生成更穩(wěn)定的苯類、多環(huán)芳烴(芴、萘、菲)等[9],未經(jīng)處理時生物油中的這些產(chǎn)物含量很高,經(jīng)過預(yù)處理后含量明顯降低。

        3 結(jié)論

        常溫常壓下用不同溶劑對木屑預(yù)處理能顯著提高熱解油產(chǎn)率,與未處理木屑熱解油產(chǎn)率14%相比,經(jīng)硫酸、乙酸、丙酮熱解后生物油產(chǎn)率得到提高,分別提高了20%、4%和14%,由GC-MS結(jié)果分析,預(yù)處理后熱解油酚類和糖類含量提高,羧酸、醛類、苯類、多環(huán)芳烴含量降低。結(jié)果說明在使用硫酸預(yù)處理對熱解生物油產(chǎn)量和質(zhì)量的提高較為有效。

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