热裂解工艺条件对棉花秸秆生物炭能量得率及特性的影响

摘要

热裂解制生物炭是农作物秸秆资源化利用的一个重要方式，而农作物秸秆的资源化利用又是当今世界应对能源和环境问题的重要出路之一。本文旨在通过研究棉花秸秆生物炭热裂解工艺，优化生物炭的能量得率，制备出不同特性的生物炭，并将其应用在水体中重金属的去除，以此评价棉花秸秆生物炭的利用价值，为棉花秸秆的利用提供更多的选择。
　　首先，本文以棉花秸秆这种典型大宗的木质类秸秆作为制备生物炭的原料，利用氮气气氛慢速热裂解的方法制备生物炭，研究了热裂解温度、保留时间和原料粒径三个工艺条件分别对生物炭产率和热值的影响。结果表明:
　　（1）热裂解温度对生物炭产率和热值的影响显著，并且生物炭产率和热值呈明显的负相关，随着温度的升高生物炭产率逐渐降低，而热值逐渐上升。
　　（2）保留时间对生物炭产率和热值的影响不如热裂解温度明显，但可以看出生物炭产率和热值呈负相关，随着保留时间的延长生物炭产率逐渐降低，而热值逐渐上升。
　　（3）原料粒径对生物炭产率和热值的影响均不显著。另外，根据大致趋势，依然可以看出热值和产率呈负相关。
　　由于三个工艺条件下生物炭产率与热值均呈负相关，即高产率和高热值目标无法同时满足。因此，引入能量得率（单位原料所产生物炭的总能量）作为全面评价生物炭产率和热值的综合指标，重点利用响应面分析法分析了三个工艺条件及其交互作用对能量得率的影响，并经过检验得到优化后的能量得率模型。模型预测结果表明，在热裂解温度为429℃，保留时间为1.29h，原料粒径为0.32mm时，能量得率达到最大值，为78.95%，并通过验证实验证明了模型的有效性。
　　接着研究了热裂解温度、保留时间、原料粒径三个因素对生物炭特性的影响，包括生物炭工业分析组成、元素含量、pH值、表观形貌、表面基团、比表面积等。结果表明，随着热裂解温度的上升，生物炭的pH值从300℃下的8.18增加至700℃下的11.10；含氧官能团-OH，-C=C-和-C-H吸收峰的强度均有所减弱；比表面积及总孔容均明显上升。
　　在系统的梳理生物炭的特性之后，将棉花秸秆生物炭应用于对水中铅离子的去除。研究发现，棉花秸秆生物炭吸附Pb(II)的最适pH值为5.5，对Pb(II)的吸附容量最高达50mg/g以上。不同工艺条件下制备的生物炭对吸附存在差异，其中热裂解温度对吸附效果的影响最大。综合分析红外光谱、比表面积、吸附等温线等结果，得到生物炭吸附Pb(II)的机理为：当生物炭在较低温度下炭化时，吸附过程以有机基团络合和离子交换作用为主，吸附较缓慢，但吸附容量大；当生物炭在较高温度下炭化时，吸附过程有附加的无机盐类作用，吸附较快速。
　　论文研究成果表明，棉花秸秆生物炭能量得率高，对重金属铅离子的吸附性能好，具有良好的应用潜力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2生物炭的概述及特性

1.3影响生物炭特性的关键因素

1.4生物炭在重金属吸附方面的应用

1.5论文研究内容及意义

第二章 棉花秸秆生物炭制备及热裂解工艺对产率和热值的影响

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章生物炭能量得率的响应面分析

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 结果分析

3.4 本章小结

第四章 不同热裂解工艺对棉花秸秆生物炭的理化特性分析

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果分析

4.4 本章小结

第五章 生物炭对水中铅离子的吸附特性

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 结果与分析

5.4 本章小节

第六章 结论及展望

6.1 主要研究结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

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