微波辅助酸预处理生物质的快速热解研究

作     者：Md.Suruzzaman 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王玉珏

授予年度：2014年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：生物质 微波 酸 预处理 热 

摘      要：木质纤维素类生物质是生产生物油的重要原料，来源广泛，包括农业废弃物、纤维类废弃物、市政垃圾以及草本和木本植物等。木质素是木质纤维素生物质中一种组分，但是其热解过程中会产生会大量积碳，会导致催化剂失活等问题。通过预处理去除木质素组分，可以提高生物质热解产油的转化率。因此，本课题的主要目的是研究通过微波辅助酸预处理，破坏生物质的结构，去除木质素组分，提高生物质热解产油的转化率。 使用微波辅助甲酸（88%v/v）预处理榉木木屑。该方法有效地破坏榉木表面结构，去除85%的半纤维素、42%的木质素组分。经过微波800W和1200W加热酸处理10min的榉木样品，在快速热解中，纤维素的热解产物左旋葡聚糖（LG）产率分别大幅提升了933.8%和879.7%，半纤维素热解产物甲酸产量则分别降低了64.9%和72.2%，木质素热解衍生物的产量分别降低了43.0%和59.5%。此外，经微波800W和1200W加热酸预处理10min的样品在快速催化热解中，芳香烃产量（碳收率）从榉木原料的22.46%增加至27.01%和26.11%。焦炭产量由榉木原料的33.09%下降为29.75%和29.26%。此结果表明，微波辅助酸预处理可以增加生物质在催化快速热解中的芳香烃产率，降低焦炭产率。 用微波辅助过氧乙酸（PAA，15%v/v）预处理榉木木屑。该预处理方法使样品表面出现不同程度的破裂，并提高了纤维素结晶度。此外，预处理后样品的木质素衍射峰减弱或者消失，说明预处理对去除木质素有一定效果。通过热重分析可知，预处理后样品的半纤维肩峰消失，说明半纤维素稳定性提高，与纤维素在同一温度区间内热解。此外，预处理后样品的积碳产量均有一定程度降低，最低仅为10.1%。因此，通过该预处理方法预处理生物质，可缓解快速催化热解中焦炭积累造成催化剂失活的不利状况。 使用PAA（15%v/v）结合NaOH（1%w/w）两阶段预处理榉木生物质。预处理后榉木样品纤维结构被破坏，纤维素结晶度上升，半纤维素和木质素的红外衍射峰减弱或者消失，DTG曲线上半纤维肩峰消失。经过PAA水浴加热2h预处理后的样品，其积碳产量（12.1%）明显低于原材料以及其它预处理样品，说明PAA水浴加热2h有利于降低积碳产量。本课题的研究结果表明，微波辅助酸预处理技术可以有效提高生物质在热化学转换过程中的转化效率。