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以甘薯粉分离乙醇—水体系的研究

作　者: 唐艳红
导　师: 谭兴和；李清明
学　校: 湖南农业大学
专　业: 农产品加工及贮藏工程
关键词: 甘薯粉反气相色谱无水乙醇颗粒状甘薯粉吸附剂吸附
分类号: S216.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着化石能源日趋短缺和空气污染日益严重,燃料乙醇作为一种可再生的洁净能源成为各国的研究热点,我国已将发展燃料乙醇列入了“十五发展计划”。而生产燃料乙醇,尤其是车用燃料乙醇,要求以无水乙醇为原料。因此,开展无水乙醇生产技术研究,将低浓度乙醇中的水分分离出去,是燃料乙醇生产的关键技术之一。由于常压下乙醇-水体系存在共沸组成,因此在制备无水乙醇的过程中,乙醇和水的分离能耗在整个生产能耗中占很大的比例。利用生物质发酵原料作为吸附剂,通过气相吸附乙醇-水体系中的水来制备无水乙醇,吸附剂失效后无需再生可直接作为发酵原料,能够降低生产成本,节约能耗。本试验利用反气相色谱法研究了甘薯粉对乙醇和水的吸附性能；通过工艺优化以甘薯粉为原料制备颗粒状甘薯粉吸附剂,然后利用固定床装置测试制备的颗粒状甘薯粉吸附剂的透过曲线和生产能力,并利用扫描电镜对该吸附剂在吸附前后进行观察。本试验运用反气相色谱法研究了60-80,80-100,100-120,120-140,140-目不同粒度甘薯粉不同柱温下(70-150℃)对水和乙醇的吸附性能,根据气相色谱的保留时间计算出甘薯粉对水和乙醇的分离因子和吉布斯自由能变以及吸附热等热力学参数；以甘薯粉为原料,设计了以β-环状糊精的添加量、黄原胶的添加量、水的添加量和润湿剂的4因素3水平的正交试验,通过优化工艺条件来制备颗粒状甘薯粉吸附剂；利用固定床吸附装置,测试编号为28号的颗粒状甘薯粉吸附剂的透过曲线和生产能力。数据采用DPS软件进行统计分析。试验结果如下：1、反气相色谱试验结果表明,在70-150℃范围内,甘薯粉对水的吸附比对乙醇的吸附强烈；随着温度升高,甘薯粉的分离因子和吸附自由能的绝对值逐渐变小,表明适当的低温更有利于乙醇和水的分离；在60-140目的粒度甘薯粉中,随着粒度的减小,分离因子逐渐增大,140目吸附剂对乙醇和水的吸附分离效果最好,在70-90℃分离因子最大可达1609,可以选择性吸附水分；甘薯粉对乙醇和水的吸附热分别为-3.0--7.2 kJ/mol和-23.7--38.9 kJ/mol,属于物理吸附范围；甘薯粉对水的吸附比对乙醇的吸附要强烈得多,能够选择性吸附水分,可用于吸附法制取无水乙醇。2、颗粒状甘薯粉吸附剂制备的工艺优化结果表明,β-环状糊精的添加量为10g,黄原胶的添加量为7.5g,水的添加量为110g,采用以15%的乙醇(v/v)的作为润湿剂。通过验证试验,得到编号为28号的颗粒状甘薯粉吸附剂,其硬度为5948.9g,吸水量为38.2mg/g,吸乙醇量为0.5mg/g。甘薯粉的吸水量为32.9mg/g。3、利用固定床吸附装置对28号的性能进行测试,结果表明：由于28号吸附剂具有良好的吸附性能,能够作为制备无水乙醇的吸附剂；28号的颗粒状甘薯粉吸附剂的生产能力为0.332g/g,比甘薯粉的生产能力提高了15.7%。颗粒状甘薯粉吸附剂吸水前后形状几乎没有明显变化。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章文献综述  14-27
  1 发展燃料乙醇的意义  14-16
    1.1 缓解石油资源短缺  14
    1.2 改善大气环境  14-15
    1.3 推动农业生态良性循环,增加农民收入,增加就业  15-16
  2 国内外燃料乙醇的应用历史与现状  16-18
    2.1 国外  16-17
    2.2 国内燃料乙醇的使用与推广  17-18
  3 乙醇的制备方法  18-20
    3.1 合成法  18
    3.2 发酵法制乙醇工艺  18-20
      3.2.1 湿法发酵  19
      3.2.2 干法发酵  19-20
  4 无水乙醇的制备方法  20-25
    4.1 共沸精馏法  21
    4.2 萃取精馏法  21
    4.3 膜分离法  21-22
    4.4 吸附法  22-25
      4.4.1 分子筛吸附法  22-23
      4.4.2 生物质吸附法  23-25
  5 利用薯类作为发酵原料和吸附剂生产燃料乙醇的优越性  25-26
  6 研究的内容  26-27
第二章甘薯粉对乙醇、水的吸附性能研究  27-42
  0 前言  27
  1 材料与方法  27-32
    1.1 材料与试剂  27
    1.2 仪器与设备  27
    1.3 试验原理  27-30
      1.3.1 吸附的类型  27-28
      1.3.2 反气相色谱法  28-30
    1.4 试验方法  30-32
      1.4.1 吸附剂的制备  30
      1.4.2 色谱柱的制备  30-32
  2 结果与分析  32-41
    2.1 吸附剂与硅藻土色谱载体混合比例对水的保留时间的影响  32
    2.2 硅藻土色谱载体对水和乙醇吸附性能的影响  32-34
      2.2.1 净保留时间  33
      2.2.2 吸附自由能变  33
      2.2.3 吸附热  33-34
    2.3 甘薯粉对水和乙醇吸附性能的影响  34-41
      2.3.1 每克甘薯粉的净保留时间  34-36
      2.3.2 分离因子  36-37
      2.3.3 温度和粒度对吸附自由能变的影响  37-38
      2.3.4 水和乙醇的吸附热  38-41
  3 本章小结  41-42
第三章颗粒状甘薯粉吸附剂制备工艺优化  42-57
  0 前言  42
  1 材料与方法  42-45
    1.1 试验材料与试剂  42
      1.1.1 试验原料  42
      1.1.2 试剂  42
      1.1.3 仪器与设备  42
    1.2 试验方法  42-44
      1.2.1 颗粒状甘薯粉吸附剂的制备工艺流程  42-43
      1.2.2 单因素试验  43-44
      1.2.3 正交试验  44
    1.3 测定方法  44-45
      1.3.1 硬度的测定  44
      1.3.2 乙醇的吸附量的测定  44-45
      1.3.3 水的吸附量的测定  45
    1.4 统计分析  45
  2 结果与分析  45-56
    2.1 单因素条件对颗粒状甘薯粉吸附剂硬度的影响  45-48
      2.1.1 β-环状糊精的添加量对硬度的影响  45-46
      2.1.2 黄原胶的添加量对硬度的影响  46-47
      2.1.3 水的添加量对硬度的影响  47-48
      2.1.4 润湿剂对硬度的影响  48
    2.2 颗粒状甘薯粉吸附剂制备工艺条件的优化试验  48-56
      2.2.1 试验因素对硬度的影响  48-50
      2.2.2 试验因素对水的吸附量的影响  50-52
      2.2.3 试验因素对乙醇吸附量的影响  52-54
      2.2.4 最佳工艺参数的确定  54-55
      2.2.5 验证试验  55-56
    2.3 甘薯粉和颗粒状甘薯粉吸附剂对水和乙醇的吸附量的比较  56
  3 本章小结  56-57
第四章颗粒状甘薯粉吸附剂对乙醇-水体系的分离效果研究  57-62
  0 前言  57
  1 材料与方法  57-59
    1.1 试验材料  57
    1.2 主要仪器  57
    1.3 试验装置  57-58
    1.4 乙醇含水量的测定  58-59
  2 结果与分析  59-61
    2.1 不同进料浓度时甘薯粉的吸附透过曲线  59
    2.2 甘薯粉和28号颗粒状甘薯粉吸附剂的吸附透过曲线  59-60
    2.3 甘薯粉和颗粒状甘薯粉吸附剂的穿透时间和生产能力  60-61
    2.4 扫描电镜分析(SEM)  61
  3 本章小结  61-62
第五章全文总结与创新点  62-64
  1 研究结论  62
    1.1 甘薯粉对水和乙醇的吸附性能研究结果  62
    1.2 制备颗粒状甘薯粉吸附剂的最佳工艺条件的确定  62
    1.3 颗粒状甘薯粉吸附剂的吸附性能的研究结果  62
  2 本文的创新点  62-63
  3 研究展望  63-64
参考文献  64-71
致谢  71-72
作者简介  72-73
  附件一:学习和工作经历  72
  附件二:在读期间发表的论文  72
  附件三:在读期间参加的科研  72-73
  附件四:在读期间获得的奖励  73

以甘薯粉分离乙醇—水体系的研究

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