稻草秸秆超低酸水解机理及水解动力学研究

【摘要】：随着社会的不断发展进步，人类的生活水平广泛地得到提高，人们对物质生活及精神生活的要求与社会无法满足这些要求的矛盾正日益凸显。能源短缺、环境污染等是造成上述矛盾的主要因素。如何寻找新的、可再生的能源来代替化石能源以解决这些矛盾成为全世界研究的重点。生物质能源具有来源丰富、潜在转化效率高、环境污染小等优点得到了全世界专家和学者的广泛关注。中国作为传统的农业大国，含有丰富的生物质资源，在发展生物质能源方面具有巨大的潜在优势。含有纤维素和半纤维素的生物质通过水解制得可发酵糖然后发酵生产燃料乙醇是生物质能源的一个重要部分。本文通过研究在高温超低酸条件下稻秆中纤维素和半纤维素的水解规律，为燃料乙醇的工业化生产提供理论基础。主要研究结果如下： 1）在硫酸浓度为0.05(w)%条件下，稻秆高温超低酸水解的最佳固体含量、最佳搅拌转速分别为0.0500g/mL和700r/min。在此基础上，稻秆在160℃条件下水解得到还原糖含量随水解的进行呈单峰趋势；在170～200℃呈双峰趋势；在210℃呈单峰趋势。这与稻草秸秆中半纤维素和纤维素的水解得到的两个还原糖峰随水解的进行呈现叠加和分离有关。 2）通过对比研究杉木屑在半连续管式反应器内的乙醇/水二元混合体系水解过程，发现在适宜的乙醇/水比、水解温度下，其水解产生的还原糖含量随水解的进行也可以呈现双峰趋势，说明一定条件下由木质纤维素水解所产生的双峰现象可能有一定的普遍性，且与秸秆的种类无关。 3）通过对稻草秸秆高温超低酸的水解产物进行分析，发现稻秆超低酸水解的主要产物为纤维三糖、纤维二糖、葡萄糖、木糖、丙酮醛等，还原糖含量随时间的变化规律与同种条件下稻草秸秆中半纤维素和纤维素随时间的水解规律基本一致。水解副产物包括糠醛类、酮类、有机酸等。 4）通过对稻草秸秆高温超低酸水解的固体残渣进行分析，稻草秸秆水解后的颗粒粒径明显变小，颗粒比表面积明显增大，半纤维素大部分水解，木质素的结构在一定程度上被破坏，纤维素部分水解，纤维素的聚合度急剧降低但结晶度仍较高。 5）根据半纤维素和纤维素超低酸水解反应动力学参数（指前因子以及反应活化能），建立起以半纤维素和纤维素为整体的集总动力学模型，通过模型得到的计算值与实验值在水解前期相差较小，水解中后期相差较大，说明秸秆中半纤维素水解受秸秆组分的影响较小，纤维素水解受秸秆组分的影响较大。此集总动力学模型并不能反映木质纤维素中半纤维素和纤维素的水解的真实规律。木质素对稻草秸秆中半纤维素和纤维素超低酸水解的影响不可忽视。 【关键词】：稻草秸秆 超低酸 单峰 双峰 水解峰
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ353
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第1章 文献综述12-30
• 1.1 前言12-13
• 1.2 木质纤维素结构组成13-19
• 1.2.1 纤维素14-17
• 1.2.2 半纤维素17-18
• 1.2.3 木质素18-19
• 1.3 木质纤维素的预处理19-21
• 1.3.1 物理方法19-20
• 1.3.2 化学预处理20-21
• 1.3.3 物理化学法21
• 1.4 木质纤维素的水解方法21-22
• 1.4.1 酸水解21-22
• 1.4.2 超/亚临界水解22
• 1.4.3 酶水解22
• 1.5 木质纤维素水解过程中的动力学模型22-27
• 1.5.1 糖类的降解动力学23-24
• 1.5.2 半纤维素的水解动力学24-25
• 1.5.3 纤维素的水解动力学25-26
• 1.5.4 木质素的降解动力学26-27
• 1.5.5 木质纤维素的水解动力学27
• 1.6 本工作的意义和主要内容27-30
• 1.6.1 本工作的意义27-28
• 1.6.2 本工作的内容28-30
• 第2章 实验装置与分析方法30-38
• 2.1 实验装置30-31
• 2.2 实验方法31
• 2.3 半纤维素的提取方法31
• 2.4 分析方法31-37
• 2.4.1 水解液的分析方法31-33
• 2.4.2 固体残渣的分析方法33-37
• 2.5 实验及分析仪器37
• 2.6 实验所需药品37-38
• 第3章 稻草秸秆高温超低酸水解的研究38-48
• 3.1 稻草秸秆在不同超低酸溶液中的水解38-39
• 3.2 最佳固体含量和最佳搅拌转速的确定39-46
• 3.2.1 固体含量对稻草秸秆超低酸水解的影响39-40
• 3.2.2 搅拌转速对稻草秸秆超低酸水解的影响40-41
• 3.2.3 温度和时间对稻草秸秆超低酸水解的影响41-44
• 3.2.4 半纤维素和纤维素转化率的变化趋势44-45
• 3.2.5 对比与探讨45-46
• 3.3 本章小结46-48
• 第4章 稻草秸秆超低酸水解产物的分析48-58
• 4.1 液体水解产物的分析48-51
• 4.1.1 水解液的 HPLC 分析48-50
• 4.1.2 水解液的 GC-MS 分析50-51
• 4.2 固体水解产物的分析51-55
• 4.2.1 固体残渣的 BET 分析51-52
• 4.2.2 固体残渣的 X 衍射分析52-53
• 4.2.3 固体残渣的 FITR 分析53-54
• 4.2.4 固体残渣的 SEM 分析54-55
• 4.3 本章小结55-58
• 第5章 稻草秸秆中半纤维素、纤维素的水解和木质素的降解58-64
• 5.1 半纤维素的水解58-59
• 5.2 纤维素的水解59-60
• 5.3 木质素的降解60-61
• 5.4 本章小结61-64
• 第6章 稻草秸秆超低酸水解的动力学研究64-76
• 6.1 半纤维素及纤维素的水解动力学64-70
• 6.1.1 半纤维素的水解动力学64-68
• 6.1.2 纤维素的水解动力学68-70
• 6.2 稻草秸秆水解动力学模型70-72
• 6.3 木质素的降解动力学72-75
• 6.3.1 木质素的降解动力学模型72-73
• 6.3.2 降解动力学参数的确定73-75
• 6.4 本章小结75-76
• 第7章 结论与建议76-78
• 7.1 结论76-77
• 7.2 建议77-78
• 参考文献78-88
• 硕士期间发表论文88-90
• 致谢90

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