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玉米秸秆保质贮存及纤维素高效水解方法的研究

作　者: 王润娟
导　师: 张书廷；李玉庆
学　校: 天津大学
专　业: 环境工程
关键词: 秸秆青贮氢氧化钠木质素纤维素水解
分类号: S216.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文从秸秆规模化制沼气技术出发，针对秸秆发酵过程中存在的发酵速率慢、利用率低以及处理成本高等问题，采用青贮的方法改善秸秆的组成结构，同时探索高效的预处理方法，将秸秆中纤维素和半纤维素全部转化为沼气发酵菌能够直接利用的基质，以解决目前在秸秆厌氧发酵制沼气过程中存在的关键难题，可以更好地实现秸秆高效资源化利用。具体研究内容和结论如下：（1）为抑制秸秆在自然风干过程中的木质纤维化作用，并且尽可能多地保存秸秆中的可溶性碳水化合物，采用不同类型的青贮方法对切段新鲜玉米秸秆进行青贮。通过分析青贮过程中秸秆组成的变化，对青贮效果进行了初步评价。结果表明，与自然风干秸秆相比，青贮添加剂秸秆的木质素含量降低了29.4%～43.7%。（2）利用不同浓度氢氧化钠对风干秸秆进行处理，考察了氢氧化钠浓度、反应时间及反应温度对秸秆中木质素的去除效果，采用响应曲面法考察了预处理的三个关键因素（氢氧化钠浓度、反应时间、反应温度）对木质素脱出率、纤维素回收率和半纤维素回收率的影响规律，优化反应条件。得出最优反应条件为：氢氧化钠浓度0.83%、反应温度34℃和时间16h，此时木质素去除率为51%，剩余固体残渣中的纤维素含量为50.38%，半纤维素含量为25.6%。并且进一步研究了不同添加剂与氢氧化钠混合溶液对秸秆木质素去除效果的影响，得出最佳组合为0.83%NaOH+0.1%尿素。（3）采用HNO₃、HCOOH、FeCl₃和AlCl₃作为催化剂对去除木质素的固体残渣进行水解反应，对比220℃下和260℃下的纤维素水解效果，结果发现，260℃比220℃时的纤维素水解效率高，且氯化铁和甲酸对秸秆中纤维素的水解效果最好。进一步优化氯化铁和甲酸浓度，结果表明，在260℃下，反应时间2min时，氯化铁为0.01M，纤维素转化率为91.6%；甲酸质量百分量为4%，纤维素转化率为93.7%。此外，对一步水解法和两步水解法进行了对比发现，两步法比一步法催化剂用量减少了32.1%，且水解液混合后更适合后续厌氧发酵产沼气。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-23
  1.1 木质纤维素生物质组成及结构  9-11
    1.1.1 纤维素  10
    1.1.2 半纤维素  10-11
    1.1.3 木质素  11
  1.2 秸秆的利用现状和存在的问题  11-15
    1.2.1 秸秆燃烧发电  12-13
    1.2.2 秸秆热解气化  13
    1.2.3 秸秆制备乙醇  13-14
    1.2.4 秸秆厌氧发酵产沼气  14-15
  1.3 秸秆预处理方法的研究进展  15-19
    1.3.1 物理法  15
    1.3.2 化学法  15-18
    1.3.3 物理化学联合处理  18
    1.3.4 生物处理法  18-19
  1.4 秸秆的青贮技术  19-22
    1.4.1 青贮的发酵过程  20
    1.4.2 青贮添加剂的研究进展  20-22
  1.5 课题研究目的与内容  22-23
第二章秸秆在不同物理及化学贮存条件下的变化特性  23-33
  2.1 材料与方法  23-26
    2.1.1 实验材料  23
    2.1.2 实验试剂与设备  23-24
    2.1.3 实验内容与方法  24-25
    2.1.4 测定方法  25-26
  2.2 结果与讨论  26-31
    2.2.1 秸秆青贮发酵过程中 pH 值的变化  26-27
    2.2.2 秸秆青贮发酵过程中可溶性糖含量的变化  27
    2.2.3 秸秆青贮发酵过程中纤维素含量的变化  27-28
    2.2.4 秸秆青贮发酵过程中半纤维素含量的变化  28-29
    2.2.5 秸秆青贮发酵过程中木质素含量的变化  29-30
    2.2.6 秸秆青贮发酵过程中固体损失率的变化  30-31
  2.3 本章小结  31-33
第三章风干秸秆脱除木质素的研究  33-44
  3.1 材料与方法  33-37
    3.1.1 实验材料  33
    3.1.2 主要实验试剂与设备  33-34
    3.1.3 实验方法  34-35
    3.1.4 实验设计  35-36
    3.1.5 统计分析  36-37
  3.2 结果与讨论  37-43
    3.2.1 响应曲面二次模型结果分析  37-40
    3.2.2 处理条件的优化与验证  40
    3.2.3 添加剂对秸秆组成的影响  40-43
  3.3 本章小结  43-44
第四章秸秆两步预处理方法效果研究  44-57
  4.1 材料与方法  44-46
    4.1.1 实验材料  44
    4.1.2 主要实验试剂与设备  44-45
    4.1.3 实验方法  45-46
    4.1.4 测定方法  46
  4.2 结果与讨论  46-55
    4.2.1 低温浸泡结果分析  46-47
    4.2.2 低温浸泡后固渣经不同催化剂高温水解效果分析  47-54
    4.2.3 一步水解法与两步水解法的比较  54-55
  4.3 本章小结  55-57
第五章结论与展望  57-59
  5.1 结论  57-58
  5.2 展望  58-59
参考文献  59-65
发表论文和参加科研情况说明  65-66
致谢  66

玉米秸秆保质贮存及纤维素高效水解方法的研究

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