一种利用超声波预处理生物质提高液化生物油产率的方法

摘要

本发明涉及一种利用超声波预处理生物质提高液化生物油产率的方法，该方法首先利用超声波对纤维素进行预处理，然后将处理后的纤维素在一定的温度，水含量，停留时间下进行液化，经分离，萃取，过滤，蒸发等步骤后即可得到较高产率的生物油。与现有技术相比，本发明可显著提高生物油的产率，技术简单且经济环保。

说明书

技术领域

本发明属于生物质可再生能源及能源化工领域，尤其是涉及一种利用超声波 预处理生物质提高液化生物油产率的方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和全球的不断暖化，开发可再生能源迫在眉睫。生物 质是一种可再生的自然资源，其储量巨大。纤维素是生物质的主要组成部分，约占 了其组成的40-50％。因此，有效地转化纤维素成化学品和生物燃料可以解决目前 面临的能源危机和环境压力。生物质的利用途径主要有化学法和生物法，化学法主 要有快速热解，慢速热解，水热法，气化法等，其中水热法被认为是最有前景的方 法之一。

水热法是以水为溶剂，在相对较高的温度(200-400℃)和压力(5-40MPa)下以 制取液体生物油为目的的技术(伍超文等，不同气氛下的纤维素水热液化过程，华 东理工大学学报(自然科学版)，37，430-434页)。生物质的水热法液化已经被 广泛研究，为了提高生物油的产率，一些酸碱催化剂如H₂SO₄、HCl、H₃PO₄、 HCOOH、NaOH、KOH、Ca(OH)₂、Na₂CO₃、KHCO₃、ZnCl₂、FeCl₃、FeCl₂、Rb₂CO₃、 Cs₂CO₃等被使用，这些催化剂虽然增加了纤维素表面的降解反应，然而并没有提 高纤维素的反应活性，生物油产率提高有限。同时，这些催化剂往往对设备腐蚀严 重，产生废水废气，污染环境。

超声波预处理是一种纯粹的物理方法，工艺设备简单，没有任何环境污染。超 声的作用主要来自空化作用，可以在极短的时间和极小的空间内产生5000K以上 的高温和大约505MPa的高压，温度变化率高达10¹⁰K/s，由气泡崩溃时产生的高压 导致的冲击波和微射流，在固-液体系中破坏纤维素的结晶结构，使结构相对蓬松， 促使溶剂深入到纤维素颗粒内部，提高溶剂的可及度，而且还可以破坏纤维素分子 内和分子间的氢键降低结晶度，提高反应活性。经过超声波预处理后的纤维素作为 原料被用来液化制备生物油，可以在较短的时间和温度下得到高的生物油产率，同 时避免了酸碱等腐蚀性物质的使用。资料表明，超声波预处理纤维素提高液化生物 油产率的方法目前还尚未见到报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可显著提高 生物油的产率，技术简单且经济环保的利用超声波预处理生物质提高液化生物油产 率的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用超声波预处理生物质提高液化生物油产率的方法，该方法首先利用超 声波对纤维素进行预处理，然后将处理后的纤维素在一定的温度，水含量，停留时 间下进行液化，经分离，萃取，过滤，蒸发等步骤后即可得到较高产率的生物油。

超声波对纤维素进行预处理是将纤维素和水按调配后再进行超声预处理，破坏 纤维素的氢键，使纤维素结构破坏，结晶度下降，反应活性大大增加，纤维素外观 表现为膨化疏松结构。

该方法具体包括以下步骤：

(1)将纤维素和水按重量比为1∶(1-100)的比例混合，然后以获得疏松纤维 素为目的，控制超声波功率为10W～2000W，用超声波进行超声预处理5min～5h， 得到纤维素的悬浮液；

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到200～400℃，保持1-60min，然后冷却反应釜降温至室温，收集生物油产 品。

收集生物油产品时，将反应釜放气开釜后，转移液体及固体产品至烧杯中，减 压过滤，水相部分在50℃下进行旋转蒸发得到生物油；固相部分用丙酮萃取，萃 取相进行旋蒸处理得到生物油。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可显著提高生物油的产率。经超声波预处理后的纤维素，生物油产率可 达到60％以上，与没有经过预处理的纤维素相比可提高20％的产率。

(2)避免使用催化剂，节约成本，减少环境污染。本方法可避免使用腐蚀性 的酸碱催化剂，过程没有废水废气产生，利于环保，节约成本。

(3)原料不限于纤维素，也可推广至其他生物质种类，如玉米秸秆，稻壳， 花生壳，麦秆，棉花秆，各种农林废弃物等，用途广泛。

(4)操作简便，有工业化应用潜力。超声波处理操作相对简便，处理后的纤 维素悬浮液状态稳定，利于采用连续式工业设备处理。

(5)本发明利用纤维素为原料，创新性地采用超声波技术进行预处理，膨化 纤维素然后进行液化。此方法可显著提高生物油的产率，技术简单且经济环保，利 于工业化生产。

附图说明

图1为超声波预处理前后纤维素的SEM图对照图片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)将纤维素与水按重量比为1∶10的比例混合，然后用超声波对其进行超声 预处理30min，超声波的功率设定为200W，得到纤维素的悬浮液。

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到280℃，保持10min，然后冷却降温至室温。

(3)经产品分离，干燥，称重后得到生物油产率为56.4％。

实施例2

(1)将纤维素与水按重量比为1∶20的比例混合，然后用超声波对其进行超声 预处理60min，超声波的功率设定为400W，得到纤维素的悬浮液。

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到260℃，保持1min，然后冷却降温至室温。

(3)经产品分离，干燥，称重后得到生物油产率为63.2％。

实施例3

(1)将纤维素与水按重量比为1∶75的比例混合，然后用超声波对其进行超声 预处理30min，超声波的功率设定为500W，得到纤维素的悬浮液。

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到300℃，保持10min，然后冷却降温至室温。

(3)经产品分离，干燥，称重后得到生物油产率为59.3％。

实施例4

(1)将纤维素与水按重量比为1∶25的比例混合，然后用超声波对其进行超声 预处理40min，超声波的功率设定为800W，得到纤维素的悬浮液。

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到300℃，保持2min，然后冷却降温至室温。

(3)经产品分离，干燥，称重后得到生物油产率为62.1％。

实施例5

(1)将纤维素与水按重量比为1∶50的比例混合，然后用超声波对其进行超声 预处理3h，超声波的功率设定为1000W，得到纤维素的悬浮液。

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到300℃，保持10min，然后冷却降温至室温。

(3)经产品分离，干燥，称重后得到生物油产率为60.8％。

实施例6

一种利用超声波预处理生物质提高液化生物油产率的方法，该方法首先利用超 声波对纤维素进行预处理，然后将处理后的纤维素在一定的温度，水含量，停留时 间下进行液化，经分离，萃取，过滤，蒸发等步骤后即可得到较高产率的生物油。 超声波对纤维素进行预处理是将纤维素和水按调配后再进行超声预处理，破坏纤维 素的氢键，使纤维素结构破坏，结晶度下降，反应活性大大增加，纤维素外观表现 为膨化疏松结构。

该方法具体包括以下步骤：

(1)将纤维素和水按重量比为1∶1的比例混合，然后以获得疏松纤维素为目 的，控制超声波功率为10W，用超声波进行超声预处理5h，得到纤维素的悬浮液；

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到200℃，保持60min，然后冷却反应釜降温至室温，收集生物油产品。

收集生物油产品时，将反应釜放气开釜后，转移液体及固体产品至烧杯中，减 压过滤，水相部分在50℃下进行旋转蒸发得到生物油；固相部分用丙酮萃取，萃 取相进行旋蒸处理得到生物油。

实施例7

一种利用超声波预处理生物质提高液化生物油产率的方法，该方法首先利用超 声波对纤维素进行预处理，然后将处理后的纤维素在一定的温度，水含量，停留时 间下进行液化，经分离，萃取，过滤，蒸发等步骤后即可得到较高产率的生物油。 超声波对纤维素进行预处理是将纤维素和水按调配后再进行超声预处理，破坏纤维 素的氢键，使纤维素结构破坏，结晶度下降，反应活性大大增加，纤维素外观表现 为膨化疏松结构。

该方法具体包括以下步骤：

(1)将纤维素和水按重量比为1∶100的比例混合，然后以获得疏松纤维素为 目的，控制超声波功率为2000W，用超声波进行超声预处理5min，得到纤维素的 悬浮液；

(2)将预处理后的纤维素悬浮液转移至高温高压反应釜，密闭，抽真空，然 后加热到400℃，保持5min，然后冷却反应釜降温至室温，收集生物油产品。

收集生物油产品时，将反应釜放气开釜后，转移液体及固体产品至烧杯中，减 压过滤，水相部分在50℃下进行旋转蒸发得到生物油；固相部分用丙酮萃取，萃 取相进行旋蒸处理得到生物油。