混合酸(HCL-HNO3)作用下玉米秸秆低温热水解的研究

摘要

秸秆工业化制沼气是有效利用玉米秸秆等生物质资源，缓解能源危机，避免环境问题有效且现实的途径。目前秸秆制沼气过程中存在发酵效率低、成本高等难题，高效合理的预处理技术是解决这两个难题的关键。本研究通过HCl、H2SO4及HNO3对玉米秸秆进行预处理，探索混合酸作用下玉米秸秆低温热水解反应的特征，并通过理论解析优化工艺条件，寻求一种适用于秸秆工业化制沼气过程中的新型预处理方法。
　　 通过三种酸HCl、H2SO4、HNO3单独对玉米秸秆低温热水解规律的研究，得到三种酸HCl、H2SO4、HNO3对玉米秸秆低温热水解的影响程度从高到低依次是：HNO3、H2SO4、HCl。120℃下，当酸浓度为1％，反应时间60 min时，HNO3、H2SO4、HCl对玉米秸秆纤维素的水解率分别为60.5％、60.0％、58.8％；其对半纤维素的水解率分别为83.6％、82.5％、74.2％。同时发现，120℃下盐酸和硫酸单独对玉米秸秆热水解时，水解液中木糖和阿拉伯糖的含量均随着酸浓度和反应时间的增加而降低；而硝酸单独对玉米秸秆热水解时，水解液中木糖和阿拉伯糖含量均随硝酸浓度的增加而增加，延长反应时间有利于水解液中木糖含量的增大，但却导致阿拉伯糖含量的降低。
　　 通过实验分析选用HCl与HNO3作为混合酸对玉米秸秆进行低温热水解，结果得出当酸质量分数相同时，HCl与HNO3混合酸作用下玉米秸秆的热水解效果明显优于单酸。当温度120℃，总酸浓度为1％且HCl：HNO3为3:1，反应60 min时，半纤维素的水解率为95.0％；而单独1％浓度的HNO3半纤维素的水解率为83.6％；单独1％浓度的HCl半纤维素的水解率为74.2％。通过对混合酸与单酸作用下玉米秸秆热水解前后微观形态及结晶度的分析，验证了混合酸作用下的预处理方式要优于单酸的作用方式。通过采用响应曲面法的理论分析，得出HCl与HNO3混合酸作用下玉米秸秆热水解工艺的最佳条件：温度120℃，HCl：HNO3比3.02，反应时间为92.1 min，木糖和阿拉伯糖产量分别为18.0 g/100gDM、3.4 g/100gDM。