制浆黑液与碱木质素热裂解特性的研究

摘要

当前处理造纸工业碱法制浆黑液的方法，主要还是基于将固形物燃烧回收热能和残碱的碱回收工艺。虽然这种方法比较成熟，但在非木材原料制浆过程中应用存在设备投资高，能量利用率和碱回收率低等问题。 黑液作为生物质资源的一种，如何将其高效转化为可再生能源并回收化学品，是解决造纸黑液问题的一条重要途径。目前生物质热解技术是国内外的一个研究热点，但对黑液热解技术尤其是草浆黑液的热解缺乏应有的研究。 黑液是一种成分复杂的混合物，而其中的主要组分碱木质素(占黑液有机物的40％～50％)与残碱是影响其热解特性的主要因素，本课题主要以黑液冷冻干燥的固形物及从黑液中分离出来的碱木质素为主要研究对象，深入地研究了其化学结构和热解特性，为造纸黑液热化学转化为清洁能源与化学品技术的开发提供理论指导。 论文采用GPC，<'1>H-NMR，定量<'31>P-NMR等分析手段，分析了黑液和碱木质素的化学结构特征。同时利用热重分析仪来分析黑液样品和碱木质素的热解行为，分析了黑液和碱木质素在不同升温速率下的热解特性，及镍催化剂对热解特性的影响，从两者的热失重特性的联系和区别入手，探讨影响黑液热裂解特性的因素。结果表明：黑液的热解过程可以分为四个阶段，在低温区和高温区各有一个强烈失重峰，黑液中糖、有机酸以及碱金属盐对黑液热解特性存在一定的影响。在实验的基础上，采用Coats-Redfem法、Doyle法和DAEM模型对黑液和碱木质素进行热解动力学方面的研究，从中选取最适合描述黑液热解过程的动力学方法和参数，为进一步深入研究黑液在不同工况条件下的热裂解特性及其调控途径提供理论指导。 通过Py—GC—MS分析了黑液和碱木质素在不同温度下的热解产物。随着裂解温度的升高，产物种类也增多，特别是小分子产物在450℃和600℃明显增多，且产物大部分是酚类、醛类等。黑液和碱木质素的热解产物非常复杂，主要是酚类、酮类、醇类等的化合物。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2生物质国内外利用现状与前景

1.2.1燃烧

1.2.2气化

1.2.3液化

1.3黑液的治理和综合利用技术的进展

1.3.1从黑液中分离木质素后再利用

1.3.2浓缩黑液后直接利用

1.4论文立题背景和主要研究内容

第二章造纸黑液物理化学特性的表征

2.1实验部分

2.1.1原料

2.1.2黑液物理化学特性的分析

2.1.3黑液中碱木质素的分离和提纯

2.1.4黑液中碱木质素的乙酰化

2.1.5黑液及碱木质素的仪器分析

2.2结果讨论和分析

2.2.1黑液的表征

2.2.2元素分析

2.2.3红外分析

2.2.4 31P-NMR分析

2.2.51H-NMR分析

2.2.6离子凝胶色谱

2.3本章小结

第三章黑液及其主要成分的热失重分析

3.1试验部分

3.1.1实验原料

3.1.2黑液和碱木质素的热失重分析

3.1.3镍催化剂下黑液和碱木质素的热失重分析

3.2结果与讨论

3.2.1黑液及碱木质素的热解过程分析

3.2.2升温速率对热解特性的影响

3.2.3镍系催化剂对黑液和碱木质素热解特性的影响

3.3本章小结

第四章黑液与碱木质素热解动力学的研究

4.1基本原理和分析方法

4.1.1 Coats-Redfern法

4.1.2 Doyle法

4.1.3分布活化能模型(DAEM)

4.2黑液与碱木质素的动力学研究及其影响因素

4.2.1 Coats-Redfern法

4.2.2 Doyle法

4.2.3分布活化能模型(DAEM)

4.3本章小结

第五章黑液与碱木质素热解途径的调控

5.1黑液和碱木质素的Py-GC-MS分析

5.1.1实验原料(同第三章)

5.1.2试验方法

5.1.3结果与讨论

5.2黑液和碱木质素的热解焦油取样装置

5.2.1实验原料

5.2.2实验方法和设备

5.2.3结果与讨论

5.3本章小结

结论

1.结论

2.本论文的创新之处

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见