生物质焦低温氧化过程特性和无机成分的影响

摘要

低温氧化是生物质焦储存时自加热及自燃的主要机理，而生物质中的无机成分可能影响焦的低温氧化反应性，因此了解生物质焦的低温氧化过程特性和无机成分对焦低温氧化特性的影响，对于描述生物质焦的自加热过程、评价焦的自加热及自燃倾向和在生产、储存及运输时防止自燃是十分重要和必要的。为此，论文采用两组样品（玉米秸和水洗玉米秸，纤维素和含K纤维素）在不同热处理温度下热解制焦，采用两种热分析方法即非等温热重-差示热扫描量热(TGA-DSC)分析和恒温量热分析研究焦的低温氧化过程及放热特性，在结构分析基础上采用原位漫反射傅里叶变换光谱(DRIFTS)分析在等速升温和恒温加热条件下焦表面官能团的演变，通过不同焦的低温氧化特性的系统比较，探索无机成分和热处理温度对焦低温氧化特性的影响。
　　500℃焦的非等温TGA-DSC和50℃TAM恒温量热分析表明，在着火前的低温氧化阶段，玉米秸焦的低温氧化反应性比水洗玉米秸焦强，含K纤维素焦也略强于纤维素焦;生物质中的无机成分特别是K对生物质焦的低温氧化反应性有明显的促进作用;玉米秸水洗处理可将焦的反应放热强度降低至接近纤维素焦，说明通过对原材料的水洗处理去除活性无机成分的方法，可降低焦的自加热能力和自燃倾向。
　　不同热处理温度的玉米秸和水洗玉米秸焦的TGA-DSC和50℃TAM恒温量热分析表明，热处理温度影响生物质的热转化过程和焦的特性因而影响焦的低温氧化特性，400℃焦和500℃焦的低温氧化放热能力最强，600℃和250℃焦低温氧化放热能力则较弱;相同热处理温度的玉米秸焦和水洗玉米秸焦相比，玉米秸焦的放热强度都明显大于水洗玉米秸焦，体现出玉米秸焦中含有的活性无机成分对低温氧化反应的催化作用，这也进一步证明通过水洗处理降低生物质焦的自加热及自燃倾向是一种有效的方法。
　　原位DRIFTS分析表明，焦在低温氧化过程中表面官能团演变主要表现为C=O官能团的增加、C-H和O-H官能团的减少。加热温度和时间对C=O和C-H官能团总量的变化有很大影响，温度越高，氧化时间越长，C=O和C-H官能团吸收峰总面积越大。相同加热条件下，400℃和500℃焦表面形成的C=O官能团和减少的C-H官能团最多，表明其低温氧化能力较强。温度对1600-1500 cm-1的羧酸或羧酸盐的C=O、1735 cm-1和1775-1765 cm-1的内酯C=O的形成影响较大，对脂肪类和芳香类C-H官能团影响较小。无机成分可能促进焦表面C=O官能团的分解和解析，可以提供活性位代替脂肪类C-H和O-H与氧气发生反应，对C=O和C-H官能团的总量变化有影响，对单个C=O和C-H官能团的形成和减少没有明显的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 生物质焦及其应用

1．1．2 生物质焦的热安全性

1．2 国内外相关研究现状的综述

1．2．1 生物质热解和焦的特性

1．2．2 无机成分对生物质热解和焦特性的影响

1．2．3 生物质焦的低温氧化和自燃特性

1．2．4 生物质焦低温氧化特性的研究方法

1．3 课题的提出和论文的主要研究内容

1．3．1 课题的提出

1．3．2 论文的主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 实验研究方法

2．1 引言

2．2 课题研究的技术路线

2．3 原样的预处理和焦样的制备

2．4 TGA-DSC同步热分析

2．5 恒温量热分析

2．6 原位DRIFTS分析

2．7 本章小结

第三章 生物质焦低温氧化过程的非等温TGA-DSC和恒温量热分析

3．1 引言

3．2 焦的非等温TGA-DSC曲线特性分析

3．2．1 TGA-DSC主要特征曲线

3．2．2 500℃焦的TGA-DSC特性分析

3．2．3 不同热解温度的玉米秸焦和水洗玉米秸焦低温氧化特性的TGA-DSC分析

3．3 焦低温氧化放热特性的恒温量热分析

3．3．1 500℃焦的恒温量热分析

3．3．2 不同热处理温度的玉米秸焦和水洗玉米秸焦的恒温量热分析

3．4 本章小结

第四章 500℃焦低温氧化过程中表面官能团演变的原位DRIFTS分析

4．1 引言

4．2 焦的基础特性分析

4．3 5℃／min等速加热过程中焦表面官能团的演变

4．3．1 C=O和C-H官能团总面积强度的变化趋势

4．3．2 C=O和C-H主要官能团吸收峰强度比例的演变

4．4 恒温加热过程中焦表面官能团的演变

4．4．1 C=O官能团的变化规律

4．4．2 C-H官能团的变化规律

4．5 本章小结

第五章 玉米秸和水洗玉米秸不同热处理温度焦的原位DRIFTS分析

5．1 引言

5．2 不同热处理温度焦的DRIFTS结构特性

5．3 5℃／min升温氧化过程中各温度焦表面官能团的演变

5．3．1 C=O和C-H官能团吸收峰总面积强度的变化

5．3．2 分峰变化

5．4 本章小结

第六章 全文总结及进一步工作建议

6．1 全文总结

6．2 进一步工作建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果