含氧气氛下的稻秆低温烘焙机理及其产物吸附性能研究

作     者：张岚清 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈德魁

授予年度：2017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：稻秆 含氧烘焙 动力学 吸附 重金属离子 

摘      要：烘焙是一种常用的生物质热处理方法,可以有效提升生物质的物理化学性能。本文以中国南方常见的稻秆为原料进行了不同氧含量下的低温烘焙机理研究,利用管式炉讨论了温度和氧含量对烘焙固体产物产率及其特性的影响,最后研究了烘焙固体产物对水中重金属离子的吸附性能,为生物质含氧低温烘焙制备高能量密度的能源材料及高吸附性能材料,提供了可靠的实验数据与基础理论。通过不同含氧量下稻秆的恒温热重实验研究发现,在230℃到310℃范围内,固体剩余物的量随着烘焙温度升高发生明显降低,而在同一温度下氧含量越高,也表现出相同的趋势。对六种含氧量(体积分数分别为0%、3%、7%、11%、16%和21%)下稻秆低温烘焙的动力学过程进行解析后发现,反应级数模型中的一阶动力学模型能够很好地描述该过程,表观活化能随着氧浓度的增加而下降(从2.012kJ/mol到1.333kJ/mol)。通过管式炉的稻秆烘焙实验研究发现,当温度小于25℃时,烘焙达到平衡所用的时间随着烘焙气氛中氧含量的上升而增加;当温度大于250℃时,烘焙时间随着氧含量的上升而减小,但温度越高,不同氧含量下的烘焙时间差距越不明显。230℃时,16%氧含量下的产物热值最大,为16.94MJ/kg,250℃时,则7%氧含量的产物热值最大,为17.21MJ/kg,当温度高于290℃时,产物热值随着氧含量的上升而下降,并且不同氧含量的产物热值相差越来越大。烘焙有效的降低了稻秆的H/C比和O/C比,当烘焙温度高于270℃,氧浓度大于7%的时候,产物的H/C比和O/C比下降较快,说明270℃,7%含氧量可能是烘焙反应的拐点,当烘焙条件大于此工况条件时,稻秆内则发生剧烈的氧化和热解反应,使得产物迅速炭化,灰分含量迅速上升。因此,稻秆含氧低温烘焙的最佳条件(产物热值最高为17.21MJ/kg)为:270℃,7%氧浓度,烘焙时间为60min。通过扫面电镜(SEM)和氮吸附分析发现,烘焙温度的提升以及氧气的参与能够增加烘焙产物的细碎程度和促进烘焙产物比表面积和孔隙的发育。其中,310℃氮气氛围和11%氧含量氛围下所得的烘焙产物的比表面积分别为2.04和5.35m2/g,而230℃氮气氛围和11%氧含量氛围下所得的烘焙产物的比表面积未检测到。对重金属离子吸附性能的研究发现,烘焙产物均能够有效的吸附Cu2+和Pb2+,且吸附能力受烘焙条件控制,较高的烘焙温度和氧气的参与更有利于重金属离子的吸附。对310℃,11%氧含量下的烘焙产物进行了活化,并用Langmuir等温吸附模型对活化后产物的吸附过程进行了拟合,发现其对Cu2+和Pb2+的最大吸附量分别为33.36和44.22mg/g,分别是商业活性炭的0.67和1.26倍。说明烘焙产物具有用作商业吸附剂的潜力。