生物质组分在催化快速热解中的相互影响

对纤维素、半纤维素、木质素及3者不同配比的自配生物质样品进行了热重分析与热解-气象色谱-质谱试验。分析了这3种生物质组分与ZSM-5分子筛进行催化热解反应时的相互影响。结果表明尽管纤维素、半纤维素、木质素初级热解产物不同,但在与ZSM-5分子筛催化热解时最终产物基本一致,主要是芳烃类化合物。然而,木质素组分在催化剂表面形成大量积炭并导致催化剂失活。因此木质素组分会影响纤维素与半纤维素组分在催化热解中的转化,导致生物质的整体转化效率下降,并且抑制作用随木质素含量的提高和反应时间的延长而增强。研究结果表明需要对木质素含量较高的生物质进行预处理,选择性去除木质素,提高生物质整体转化效率,降低催化剂失活。     

显微技术在木质纤维素生物质预处理 研究中的应用进展

木质纤维素生物质细胞壁中主要组分(纤维素、半纤维素和木质素)相互交织形成的网状结构是生物质转化过程中的天然抗降解屏障。有效的预处理能打破这种屏障,提高酶水解转化效率。显微技术包括显微镜技术和显微光谱技术,能够在多尺度下展现木质纤维素生物质在预处理中细胞壁微观结构变化和组分含量等信息。笔者介绍了原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、显微拉曼光谱等显微技术在木质纤维素生物质预处理过程研究中的应用。利用显微镜技术可直接观察预处理中细胞壁表面结构的变化,并分析其对酶水解可能产生的影响; 利用显微光谱技术可原位分析预处理对细胞壁组分化学结构与超微结构的影响; 多种显微技术组合弥补了单一手段的不足,可获得木质纤维原料生物构造、组分含量及分布等方面更为详细的信息。     

基于TG-FTIR和Py-GC/MS的生物质三组分快速热解机理研究

利用热重红外联用仪(TG-FTIR)和快速热解-气相色谱/质谱联用仪(Py-GC/MS),对生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)的热解失重规律、动力学和挥发分组分及其含量进行了对比研究。TG/DTG曲线表明,纤维素热解失重区间最窄,峰值处热解失重率最大;半纤维的最易发生降解,存在两个失重区间;而木质素热解过程最缓慢,热解温度范围最广。三维FTIR表明,纤维素热解主要产物为CO_2、醛类、酮类和酸类;半纤维素热解主要产物与纤维素一致,但是CO_2含量比其他几类组分高很多;木质素热解主要产物为CO_2和芳香烃类。Py-GC/MS分析表明,纤维素热解有机组分主要为呋喃类和脱水糖类,呋喃类产物在600℃时达到最大值43.34%,脱水糖类产物在500℃时达到最大值27.78%;半纤维素热解主要产物为酮类和呋喃类,两者含量随着热解温度增加呈逐渐下降趋势;木质素热解主要产物为酚类,总酚含量在热解温度500℃时达到最大值78%,其中愈创木酚型(G-型)酚的含量最高63.43%。     

木质纤维原料各组分温和液化行为

为开发可再生资源和缓解能源危机,研究了木质纤维原料的常压温和液化过程。在浓硫酸催化下,将甘蔗渣、甘蔗渣综纤维和甘蔗渣纤维素在乙二醇中130~190℃液化。对不同液化条件下残渣率、产物质量分布和红外谱图的分析。结果表明:在较低温度下,纤维素不易液化,半纤维素和木质素易液化;在较高温度下,纤维素可有效液化,木质素和半纤维素易发生再聚合形成不溶残渣;先较低温度再较高温度两步液化可有效降低残渣率。纤维素和半纤维素液化产物主要分布在水相;木质素产物主要分布在丙酮相;残渣同时来自三种组分。     

木质素提取的预处理研究进展

纤维素、半纤维素和木质素之间复杂的交织结构以及木质素本身独特的性质限制了木质素的高效利用。木质素分离提取技术作为生物精制的上游工艺,对木质素转化为高价值原料具有重要的意义。然而,在不影响生物质原料性能的情况下,很难从生物质原料中提取出结构相对完整的木质素。详细阐述了木质素提取的几种预处理方法和近年来国内外的研究进展,并对木质素提取技术的未来发展前景进行了分析和预测,以期为生物精炼技术的发展提供新思路。     

辐射松和稻壳及其三组分热重动力学

利用热天平对两种植物生物质(辐射松和稻壳)及其三组分半纤维素、纤维素和木质素分别在不同的升温速率下进行热重分析,调查这些样品随热解温度的失重情况以及热解动力学.随着升温速率的增加,半纤维素的DTG曲线表现出不同于其他实验样品的规律,即DTG曲线的峰值向低温区移动.使用Kissinger微分法、FWO法和Popescu法联合对热解数据进行分析,分别计算反应活化能E和指前因子A,以及最可几机理函数,其中Jander方程G(α)=123[1-(1-α)]为纤维素、辐射松和稻壳的最可几机理函数,反Jander方程123G(α)=[(1+α)-1]为半纤维素和木质素的最可几机理函数,可以较好地解决植物生物质及其三组分的动力学参数的求算.     

油菜籽粕生物质热解过程特征研究

以油菜籽粕生物质为原料,采用电加热方式,研究了不同加热速率下的热解过程及产物产出规律,对热解产物中不凝气体的成分进行了分析,考察了加热速率对产物产出率的影响。结果表明：油菜籽粕的热解过程可分为水分蒸发、半纤维素热解、纤维素和木质素热解、木质素炭化4个阶段;加热速率的高低虽然对水分的蒸发过程特征没有影响,但在低加热速率下,生物质中不同的组分将在不同的反应温度区间内进行热解反应;不凝气体和冷凝液体两种热解产物主要在100~550℃之间析出,是半纤维素和纤维素的主要热解产物,它们的产出率与温度的关系具有不同的特征;不凝气体中可燃气体的体积分数随着反应温度的升高逐渐增多;当控制加热速率为4～6℃/min时,油菜籽粕的3种热解产物量均可以达到较理想的效果。     

生物质三组分热解反应及动力学的比较

采用热重分析法考察了生物质中三种主要成分纤维素、半纤维素和木质素的热解反应行为,以Coats-Redfern积分法对实验数据进行动力学解析,建立了该三组分热解反应的动力学模型。结果表明,分子结构上的不同使得该三组分的热解特性存在明显差异;在所考察的温区内纤维素的失重量约为86%,半纤维素模型化合物木聚糖的失重量为69%左右,而木质素的失重量仅为51%;热解反应深度按照纤维素、木聚糖和木质素的顺序依次降低;木质素和木聚糖的热解反应均可以用两个分段二级动力学方程来描述,但纤维素在低温区和高温区分别遵循一级和二级动力学规律。     

不同生物质木质纤维素的成分分析和比较

以玉米秸秆、中药残渣、林业废弃枝桠、木耳菌袋以及柳枝稷5种不同种类的生物质为原料,测定其纤维素、半纤维素、木质素的含量,通过对分析方法的建立,可快速得到不同生物质原料主要组分含量,筛选出纤维素含量高、木质素含量低的物种.实验结果表明：纤维素按其含量大小排列分别为：柳枝稷、玉米秸秆、木耳菌袋、枝桠、中药残渣;半纤维素含量：柳枝稷、玉米秸秆、枝桠、中药残渣、木耳菌袋;木质素含量：柳枝稷、枝桠、木耳菌袋、中药残渣、玉米秸秆.     

基于制浆造纸平台的生物质精炼研究

<正>资源短缺与能源危机是目前全球经济发展所面临的普遍问题,因此开发和利用木质纤维生物质资源替代化石资源具有重要的现实意义和长远的战略意义."生物质精炼"的概念来源于石油精炼,是指将植物木质纤维加工分离成为纤维素、半纤维素和木质素,分别进行高附加值利用,主要用于生产清洁能源、高附加值化学产品、生物质复合材料等.由于从木质纤维中分离上述三大组分本身的成本已经很高,再加上后续的化学/生物加工成本,因此这种意义的"生物质精炼"目前还难以实现工业化生产,     

百吨/年规模生物质水相合成航油类烃过程的物质与能量转化

以农业废弃物生物质为原料,利用水相转化技术,进行了百吨/年规模生物航油类烃(C_8~C_(15))合成试运行.过程中采用两步酸解法分别将玉米秸秆中半纤维素和纤维素转化为糠醛和乙酰丙酸,作为生物质基平台化合物.在碱性条件下糠醛与乙酰丙酸经Aldol缩合反应实现碳链增长,生成的长链含氧中间体经过低温预加氢、高温加氢脱氧及精制,生成C_8~C_(15)范围内液态烃,可作为生物航油组分.以试运行实验结果为基础,进行了过程的物质与能量转化分析.结果表明,该路线获得液态烃类的基本性质满足合成航油ASTM-7566标准要求,并充分利用了原料中纤维素和半纤维素组分,是一条基于生物质的长链液态烃合成路线,1,t航油约需10~12,t干基玉米秸秆.     

钾、钙和镁金属盐对生物质热解的影响

以生物质樟子松酸洗样品以及构建生物质的纤维素、半纤维素和木质素三大组分为研究对象,通过热重分析仪研究了K、Ca和Mg金属盐(KCl、Ca Cl2和Mg Cl2)对实验样品的热解影响以及催化效果.结果表明:Ca Cl2的添加能抑制热解过程中的缩合反应,使得半纤维素和樟子松酸洗样品的热解失重曲线出现"肩"状峰,低分子化合物更易逃逸,促进了热分解过程;Mg Cl2的添加对纤维素的热解有一定的催化效果,使其最大热解失重速率以及所对应的热解温度都逐渐降低,但是对半纤维素的热解过程影响较小;KCl对生物质三大基本组分的影响虽然很小,但对樟子松酸洗样品表现出较好的热解催化效果.     

纤维素类生物质制备乙酰丙酸酯和γ-戊内酯的研究进展

乙酰丙酸酯和γ-戊内酯是极具应用前景的生物质基酯类燃料,其掺混的汽柴油具有良好的燃烧和排放性能.纤维素类生物质中的纤维素和半纤维素组分经水(醇)解和加氢还原可以转化合成乙酰丙酸酯和γ-戊内酯.本文详细总结了近年来纤维素类生物质在多种酸催化体系中制备乙酰丙酸酯的研究进展,并根据氢源的差异深入讨论乙酰丙酸(酯)加氢合成γ-...     

香蕉杆组分测定及其产沼气潜力的研究

【目的】测定香蕉杆中的纤维素、半纤维素和木质素组分,并对其发酵产沼气的潜力进行研究,以期为香蕉杆的资源化利用提供可靠的基础资料。【方法】分别采用改进后的硫酸-重铬酸钾氧化法、2mol/L盐酸水解法和72%浓硫酸法测定香蕉杆中纤维素、半纤维素和木质素的含量;在35℃恒温条件下进行厌氧发酵产沼气,绘制不同原料产沼气过程变化曲线图。【结果】香蕉杆纤维素、半纤维素和木质素含量分别为17.47%、11%、6.86%,其厌氧发酵产沼气最高可达到(155±3)mL/g TS。【结论】香蕉杆纤维含量较高,可作为沼气发酵原料使用,为香蕉杆的资源化利用提供有益参考。     

纤维素/木质素共热解过程中的气相反应

气相反应在生物质热解过程中是不可避免的,决定着生物质热解产物的形成与分布.通过纤维素和木质素共热解实验和理论计算研究了生物质热解过程中纤维素和木质素间的相互作用,为进一步深入理解生物质热解行为提供实验基础.结果表明：纤维素和木质素进行共热解时,各类产物分布与纤维素和木质素质量比具有密切关系,但并不能通过加权计算进行产物分布的预测.纤维素与木质素以任意质量比共热解时均抑制了CO的形成,而促进了CO₂和H₂O的形成;促进了C₁—C₅烃的形成,而抑制了大部分含氧化合物的形成;质量比为5∶5时促进了苯酚和烃基苯酚的形成;当纤维素比较低时,对芳烃的形成具有明显的促进作用,而纤维素与木质素质量比为7∶3时对芳烃的形成具有抑制作用.     

木质纤维素生物质组分的催化快速热解

本文以酸性HZSM-5分子筛为催化剂,利用热重分析(TGA)和热裂解-气质联用(Py-GC/MS)等技术考察了生物质的两大组分纤维素和木质素的催化热解过程.氮气气氛下慢速热解的TGA实验表明,纤维素与Kraft木质素分别于285℃和135.7℃开始热解,纤维素热解后的残留量较少,仅为初始质量的8.6%,而Kraft木质素热解后的残留量高达61.9%.氦气气氛下的Py-GC/MS实验表明,纤维素快速热解的主要产物为左旋葡聚糖(LG)、羟基乙醛和羟基丙酮,积碳率仅为5%;Kraft木质素快速热解产物主要为含有不同取代基的酚类化合物,积碳率为50%.催化快速热解的Py-GC/MS实验表明,加入酸性HZSM-5分子筛可以使生物质热解产物实现有效的加氢脱氧,大大提高了热解油中的芳烃含量.然而由于热解过程中HZSM-5分子筛失活很快,使得积碳问题更加严重,纤维素催化热解的积碳率为61%,木质素样品更是高达85%.     

蔗渣木质纤维成分的系统分析法研究

本文探讨了多数研究报告中常用的木质纤维素单一组分的分离和测定方法,经综合后,拟定了测定甘蔗渣中木质素、纤维素、半纤维素组分的系统分析方法.本法操作简便、快速,可一次完成多个试样的对比分析.     

玉米秸秆纤维素高效分离工艺研究

采用有机酸混合液为溶剂、稀盐酸为催化剂,将玉米秸秆在常压下蒸煮,再经过氧化氢处理,将半纤维素和木质素与纤维素脱离,达到分离出纤维素的目的 .处理后的废液再经酸沉-醇析法,分离和回收半纤维素与木质素,实现秸秆资源的全组分分离.通过对纤维素分离工艺的探讨,确定了玉米秸秆组分分离实验的最佳工艺条件.结果表明,甲酸、乙酸和水体积比为30∶60∶10,反应温度90℃,反应时间4 h,粗纤维素以5%过氧化氢为溶剂,溶液pH为12,60℃条件下处理3 h,得到的纤维素纯度可达到94.2%,纤维素、木质素和半纤维素的回收率分别为88.9%、75.6%和28.5%.     

固体纤维素酶制剂的规模化制备技术研究

我国是一个农业大国,植物纤维资源十分丰富,农作物秸杆每年产量达7亿吨,但秸秆利厢率只占发达国家利用率的35％左右。随着石油资源的短缺,利用可再生的农作物秸秆等生物质资源制备能源燃料和化学品已经成为当前的一个研究热点。农作物秸秆等纤维素原料一般含有纤维索35％～45％,半纤维素20％～30％,木质素15％～25％。     

废弃芦蒿秸秆多组分分离提取工艺设计及优化

芦蒿秸秆是一种农业废弃物,因其富含纤维素、半纤维素、木质素和其他成分而具有巨大的资源潜力。以芦蒿秸秆为原料,系统研究了芦蒿秸秆中的黄酮类物质和木质纤维素三组分的分离方法。首先采用乙醇溶液回收黄酮组分;然后采用微波乙醇法对芦蒿秸秆进行脱木质素预处理,同时使用Na OH溶液溶解并结合醇沉过程回收半纤维素;最后使用酸性亚氯酸钠溶液提纯纤维素。在最优条件下,黄酮提取率达到1. 61%;木质素、半纤维素、纤维素的回收率分别达到59. 34%、72. 94%、80. 64%;纤维素经两次提纯处理后纯度高达93. 8%。该分离方法为芦蒿秸秆的综合利用提供了一条可行的路线。