木质纤维素超低酸水解过程及动力学研究

摘要

随着科技的发展,石油等能源日益紧缺,使用木质纤维素为原料制备燃料乙醇逐渐受到关注。我国是一个农业大国,利用农作物秸秆制备燃料乙醇在我国具有极大的发展空间。木质纤维素制备乙醇最关键的步骤是把纤维素水解成可发酵糖,超低酸法(质量分数低于0.1％)水解,因具有较好的水解效果成为热点。本文对超低酸法水解农作物秸秆制备还原糖的过程进行了研究,研究结果如下:
　　(1)以湖北稻草秸秆为研究对象,研究了搅拌转速、酸浓度、液固比、反应温度及时间对还原糖得率的影响,得到湖北稻草秸秆水解的适宜条件为:搅拌转速为500r/min、硫酸质量分数0.05%、液固比15:1(固体质量3g,液体体积45mL)、210℃、10min,在此条件下还原糖得率为30.05%;
　　(2)测定了在适宜的水解条件下不同地区15种农作物秸秆的还原糖浓度得率,不同种类、同种类不同地区秸秆水解后还原糖浓度及得率有明显差异。黑龙江的稻草、玉米秸秆及山东的小麦秸秆的还原糖浓度及得率较高,棉花及油菜秸秆的还原糖浓度及得率都较低;
　　(3)通过对秸秆水解产物的HPLC分析,得到秸秆水解的主要产物有葡萄糖、果糖和木糖,其中木糖的峰面积较大,说明半纤维素的水解较彻底;通过对秸秆水解前后固体的SEM分析得到,两种秸秆原样结构紧密、表面都较光滑,水解后秸秆颗粒明显变小,表面形成许多不规则孔穴,秸秆质地较水解前变得疏松,但基本框架没有被改变;水解残渣的TG和DTG曲线与纤维素原料的整体变化趋势一致,但水解后残渣的最大分解温度大于原样的最大分解温度,水解残渣中仍以纤维素为主;红外光谱法和X-衍射法测定秸秆的纤维素相对结晶度的结果比较一致,水解并没有完全破坏秸秆的纤维素结晶结构,但导致农作物秸秆的纤维素结晶度降低;
　　(4)通过对木质纤维素高温超低酸水解过程的分析,将水解过程中生物质颗粒看作圆球体,且在水解过程中,颗粒逐渐向球心收缩。根据非均相水解反应的特征,在高速搅拌的水解反应中,认为外扩散控制忽略,反应物及产物扩散阻力集中在颗粒表面层流底层,基于此建立了秸秆水解的缩芯模型,列出了模型方程,并求出了方程的解析解,用最速下降法对模型参数进行拟合,通过实验值与计算值的对比,结果显示模型计算值的拟合曲线和实验值结果吻合较好,表明本文所做的假设和模型能反应水解的过程,由实验结果拟合出模型参数,结果表明还原糖的分解反应可认为是一阶反应。同时,由模型计算可知,粒径越小、颗粒越均匀,越有利于提高还原糖的浓度。

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第1章 文献综述

1.1 前言

1.2 秸秆的结构及组成

1.3 秸秆的水解

1.4木质纤维素水解的动力学

1.5 本工作的意义和主要研究内容

第2章 分析方法

2.1 产物中液体的分析方法

2.2 产物中固体的分析方法

第3章 农作物秸秆超低酸水解的研究

3.1 实验原料及仪器

3.2 实验装置及流程

3.3 实验方法

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 农作物秸秆超低酸水解反应的动力学研究

4.1 酸水解动力学模型的简述

4.2 模型的建立

4.3模型参数的拟合方法

4.4模型的计算与验证

4.5模型的应用与讨论

4.6 本章小结

第5章 结论与建议

5.1结论

5.2建议

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢