生物质在H2O--SO2体系中两步法水解转化的研究

摘要

随着经济水平的日趋发展和人口的与日俱增，人类生产及生活对能源资源的需要越来越大。但是，煤、石油、天然气等化石能源是不可再生的资源。而生物质资源因其来源于绿色植物的光合作用，是一种可以再生的含碳资源。因此，寻找一种高效、绿色的途径将生物质资源转化为有用化学品及生物能源具有重要意义。 木质纤维素类生物质主要由半纤维素、纤维素及木质素三种组分构成，因这三种组分的结构组成不同，其中，半纤维较纤维素更易水解。因此，可以在较温和的条件下将半纤维素转化;然后，加剧反应条件转化纤维素。这就是生物质的两步法水解转化。 因此，本文主要研究在H2O-SO2体系中，采取两步法转化玉米芯及水稻秸秆。SO2溶解于热水中，SO2可以与H2O反应生成亚硫酸，亚硫酸为中强酸，其在水中可以电离出H+。并且，反应结束后，SO2可以通过水蒸气汽提法回收再利用。 实验结果表明:玉米芯在第一步转化中，随着反应时间、温度、SO2浓度的升高，木糖、阿拉伯糖、葡萄糖的收率先增大然后降低;乙酸收率先增大随后为一定值;糠醛的收率逐渐增大。在最优的反应条件:140℃、0.024 g/mL SO2、1.5h下，可得到26.6％的木糖、3.3％的葡萄糖及3.2％的阿拉伯糖。第二步转化（反应条件为190℃、0.048g/mL SO2、0.5h)结束后可以得到8.6％的葡萄糖及少量降解产物。两步法中，产物的总收率为48.4％。两步法转化不仅可以提高产物的收率，而且可以降低降解产物的收率。对原料及反应后的残渣分别进行红外光谱、XRD及扫描电镜表征，通过表征结果证实了玉米芯在H2O-SO2体系中两步法转化的思路和认识了转化的规律。进而研究了第一步水解动力学规律，按照Saeman模型对玉米芯第一步反应进行了动力学拟合，确定了该反应的动力学方程。同文献进行比较，结果表明使用SO2催化水解玉米芯，其中木糖降解为糠醛的活化能(8.35×104J/mol)大于使用稀硫酸时的活化能（1.36×104J/mol），说明气体酸SO2作为酸性催化剂，其酸性比硫酸弱，反应过程当中可以减少木糖的降解，降低糠醛的生成，有利于获得更高的木糖收率。 随后，探索了水稻秸秆在H2O-SO2体系中两步法水解转化的实验条件。实验结果表明:水稻秸秆经第一步转化后，在最优的反应条件:140℃、0.024g/mL SO2、2.0h下，可得到17.1％的木糖、3.1％的葡萄糖及3.5％的阿拉伯糖。第二步转化(反应条件为190℃、0.048g/mL SO2、0.5h)结束后可以得到10.9％的葡萄糖及少量降解产物。将实验结果同玉米芯的两步法水解转化结果进行对比。实验发现，水稻秸秆中木糖及总还原糖的收率低于玉米芯在H2O-SO2体系第一步转化过程的木糖及总还原糖的收率。造成收率降低的主要原因是水稻秸秆中半纤维素的含量比玉米芯中的低17.25％。因玉米芯及水稻秸秆的结构及灰分种类不同，所以水稻秸秆在H2O-SO2体系第一步水解转化过程的反应速率要快于玉米芯在该体系的反应速率。综上所述:原料组分及结构的不同是造成不同生物质原料在H2O-SO2体系中水解转化过程中产物收率、动力学参数存在较大差异的根本原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

前言

1．1 生物质的概述

1．1．1 生物质的概念及组成结构

1．1．2 生物质能的转化利用技术

1．2 生物质的预处理工艺

1．2．1 物理法

1．2．2 物理-化学法

1．2．3 化学法

1．2．4 生物法

1．3 生物质的传统转化工艺

1．3．1 生物质的酸水解技术

1．4 生物质的新型转化技术

1．4．1 木质纤维素类生物质在超(亚)临界水体系的转化技术

1．4．2 木质纤维素类生物质在离子液体体系的转化技术

1．4．3 高温液态水转化技术

1．5 课题的提出及研究内容

1．5．1 本课题的研究依据

1．5．2 本课题的研究内容

第二章 纤维素在H2O-SO2体系中的转化

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验装置

2．2．4 实验步骤

2．2．5 产物分析

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 亚硫酸的标定

2．3．2 反应条件对纤维素转化的影响

2．3．3 温度、SO2浓度对纤维素转化的影响

2．3．4 反应时间对纤维素转化的影响

2．4 本章小结

第三章 玉米芯在H2O-SO2体系中的两步法水解转化

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验装置

3．2．4 实验步骤

3．2．5 产物分析

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 玉米芯组成的测定

3．3．2 玉米芯在H2O-SO2体系中的转化

3．4 本章小结

第四章 水稻秸秆在H2O-SO2体系中的两步法水解转化

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验装置

4．2．4 实验步骤

4．2．5 产物分析

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 水稻秸秆组成的测定

4．3．2 水稻秸秆在H2O-SO2体系中的转化

4．3．3 玉米芯及水稻秸秆在H2O-SO2体系中转化的对比

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文情况

作者和导师简介