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蔗渣半纤维素的化学结构及其热裂解特性研究

作　者: 彭云云
导　师: 武书彬
学　校: 华南理工大学
专　业: 制浆造纸工程
关键词: 蔗渣半纤维素结构特性热裂解 Py-GC-MS TG-FTIR
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 353次
引　用: 6次
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内容摘要

在能源紧缺与环境保护的双重压力下,生物质能的开发利用受到人们的广泛关注。生物质热裂解技术不仅是一种独立的生物质高效利用转化方式,而且还是生物质气化和燃烧过程必不可少的一个阶段,对生物质热裂解进行深入的机理研究有利于提高我国生物质能的转换利用水平。生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,而由于半纤维素不易直接从自然界获取,且其成分比较复杂,因而针对植物原料半纤维素的热裂解较少。本文从典型生物质原料-蔗渣中分离提纯出半纤维素,在对其结构进行表征的基础上,研究其在不同热化学条件下的热裂解规律,为生物质大分子的热解规律甚至生物质催化液化、气化提供有效参考,为实现目标产物的合理调控提供理论指导。研究发现,无论是微观结构还是热解过程,半纤维素均表现得相当复杂并具有独特的特性。本文采用FT-IR、核磁共振波谱、离子色谱、GPC等手段对半纤维素的物理化学特性进行了全面的表征,表明蔗渣半纤维素的主要成分为阿拉伯糖聚木糖以及糖醛酸,具有草类原料半纤维素的典型结构特征。利用热重分析法研究半纤维素在不同升温速率下的热裂解特性,结果表明半纤维素热稳定性较差,其主要热解区间200～350℃。采用Py-GC-MS和TG-FTIR对添加了和未添加金属离子的半纤维素在不同热解温度下的产物进行了分析,其热解产物大致有CO2、呋喃类、酸类、醇类、环戊烯酮类以及苯酚类芳香化合物。其中,钾离子促进大分子组分发生裂变和重聚反应生成酮醛类等小分子化合物;镁离子对焦炭生成有强烈的促进作用。在动力学分析及机理试验的基础上,采用实验室自行设计的管式热解炉进行了半纤维素的高温快速热裂解试验,并分析了其热裂解产物的分布及产量变化规律。结果表明,550-850℃范围内,半纤维素热解生成的三相产物中,气体产物的相对产量最大。热解气中的主要气体成分为H2、CO、CO2、CH4以及小分子烃类。液相产物中主要是酸类,醇类,呋喃,环戊烯酮类化合物,以及苯酚等芳香化合物。乙酸和其他含有羟基、酮基的化合物随着温度升高产量降低,芳香性大分子化合物则随之增多。焦炭中残留有大量的有机化合物如醇类,酮类及脱水糖。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-26
  1.1 引言  11
  1.2 生物质能的研究概况  11-17
    1.2.1 生物质的定义  11
    1.2.2 生物质热化学转换技术  11-15
    1.2.3 国内外生物质能利用的现状及发展趋势  15-16
    1.2.4 生物质能的研究意义  16-17
  1.3 半纤维素的研究概况  17-24
    1.3.1 半纤维素的分离及其化学结构研究  17-21
    1.3.2 半纤维素热裂解的研究概况  21-24
  1.4 本文研究内容  24-26
    1.4.1 研究目标  24
    1.4.2 研究内容  24
    1.4.3 研究方法  24-26
第二章半纤维素的分离及化学结构  26-39
  2.1 引言  26
  2.2 实验  26-30
    2.2.1 原料  26
    2.2.2 蔗渣原料的化学组分分析  26-27
    2.2.3 蔗渣半纤维素的分离与提纯  27-28
    2.2.4 半纤维素的红外分析  28
    2.2.5 凝胶渗透色谱GPC 测定半纤维素的分子量分布  28-29
    2.2.6 半纤维素的单糖组成分析  29-30
    2.2.7 核磁共振分析  30
    2.2.8 热重分析  30
  2.3 结果与讨论  30-38
    2.3.1 蔗渣的化学组分分析  30
    2.3.2 半纤维素的红外光谱分析  30-32
    2.3.3 半纤维素的GPC 分析  32-33
    2.3.4 半纤维素的单糖组成分析  33-35
    2.3.5 NMR 波谱分析  35-37
    2.3.6 半纤维素的热失重特性  37-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章半纤维素的热裂解特性及动力学研究  39-47
  3.1 引言  39
  3.2 实验  39-40
    3.2.1 原料  39
    3.2.2 热重分析  39-40
  3.3 结果与讨论  40-46
    3.3.1 蔗渣半纤维素的热裂解特性  40-41
    3.3.2 不同升温速率的影响  41-42
    3.3.3 动力学参数的确定  42-46
  3.4 本章小结  46-47
第四章金属离子对半纤维素热裂解特性的影响  47-61
  4.1 前言  47-48
  4.2 实验  48-50
    4.2.1 原料  48
    4.2.2 半纤维素的元素分析  48
    4.2.3 TG 分析  48-49
    4.2.4 TG-FTIR 分析  49
    4.2.5 Py-GCMS 分析  49-50
  4.3 结果与讨论  50-60
    4.3.1 半纤维素的金属元素分析  50
    4.3.2 添加五种金属盐的半纤维素的热重分析  50-53
    4.3.3 添加金属离子后的半纤维素的 TG-FTIR 分析  53-56
    4.3.4 添加金属盐的半纤维素的py-GCMS 分析  56-60
  4.4 本章小结  60-61
第五章半纤维素的管式炉热解试验研究  61-75
  5.1 引言  61
  5.2 实验  61-64
    5.2.1 原料  61
    5.2.2 试验仪器与方法  61-62
    5.2.3 气体产物分析  62-63
    5.2.4 液体产物分析  63
    5.2.5 固体产物分析  63-64
  5.3 结果与讨论  64-73
    5.3.1 半纤维素快速热裂解的产物得率及分布  64
    5.3.2 气体产物的分析  64-65
    5.3.3 液体产物的分析  65-70
    5.3.4 热解产物机理分析  70-73
  5.4 本章小结  73-75
总结  75-78
  1. 结论  75-76
  2. 本文创新之处  76
  3. 总结与展望  76-78
参考文献  78-85
攻读硕士学位期间取得的研究成果  85-86
致谢  86

蔗渣半纤维素的化学结构及其热裂解特性研究

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