【摘要】：生物質(zhì)能是地球上儲量最豐富的能源資源,生物質(zhì)含碳?xì)溲跞N元素,燃燒產(chǎn)物灰分含量低,不會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。生物質(zhì)能是可再生能源,取之不盡,用之不竭。如果能實現(xiàn)對生物質(zhì)能的大力開發(fā)利用,將能極大地推動社會的發(fā)展,既能緩解能源危機(jī),也能減少對環(huán)境的污染。目前在生物質(zhì)能的利用技術(shù)中熱解是很有發(fā)展前景的技術(shù)。生物質(zhì)的主要成分是木質(zhì)纖維素。木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素構(gòu)成,其熱解行為是三種主要成分的綜合體現(xiàn)。目前的研究是針對木質(zhì)纖維素每種獨立的成分展開的。纖維素占木質(zhì)纖維素比例最高,對于纖維素?zé)峤獾难芯孔疃唷Ｔ跓峤膺^程引入了催化劑可以提高熱解的效率和產(chǎn)物的品質(zhì)。熱解的生物油相含有大量的高附加值化學(xué)品,生物油還可以作為液體燃料,裂解產(chǎn)生的氣體可以做燃料氣,熱解的生物炭可以做吸附材料。而對于半纖維素?zé)峤獾馁Y料比較匱乏,半纖維素在木質(zhì)纖維素中的含量僅次于纖維素,因此對半纖維素?zé)峤獾难芯啃枰M(jìn)一步拓展。半纖維素成分復(fù)雜,結(jié)構(gòu)多變,研究通常選擇半纖維素的主要成分作為半纖維素?zé)峤獾哪Ｐ突衔飦韱为氀芯?以此來掌握半纖維素的熱解規(guī)律。本研究選取的半纖維素模型化合物是木聚糖。木質(zhì)纖維素與離子液體的聯(lián)系是從離子液體對木質(zhì)纖維素的溶解科學(xué)開始的,離子液體因其具有良好的導(dǎo)電性,高的熱穩(wěn)定性,液態(tài)范圍寬,穩(wěn)定的電化學(xué)窗口,結(jié)構(gòu)可設(shè)計的獨特優(yōu)勢,其可作為反應(yīng)的熱媒,加熱介質(zhì),導(dǎo)電性物質(zhì)以及反應(yīng)的催化劑,利用離子液體分溫度梯度裂解和進(jìn)行電化學(xué)分電壓梯度裂解在技術(shù)上是可行的。探究溫度和電壓對裂解產(chǎn)物的影響有助于掌握產(chǎn)物的演化規(guī)律和對裂解產(chǎn)物的定向調(diào)控,最終實現(xiàn)半纖維素的高效利用。本研究以木聚糖的產(chǎn)物規(guī)律為目標(biāo),以電化學(xué)強(qiáng)化疏水性導(dǎo)電離子液體催化裂解為手段,構(gòu)建了疏水性導(dǎo)電離子液體的的低溫催化裂解體系,模擬了木聚糖與離子液體催化劑的熱解動力學(xué),在低溫(160-280℃)下進(jìn)行木聚糖分溫度梯度裂解實驗,對裂解產(chǎn)物進(jìn)行相關(guān)計算和表征,綜合評定對木聚糖催化裂解效果最好的裂解溫度,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行分電壓梯度催化裂解實驗,研究在電化學(xué)作用下產(chǎn)物的分布規(guī)律。主要研究結(jié)果如下:(1)根據(jù)半纖維素的結(jié)構(gòu)特點和離子液體的性質(zhì)合成了5種離子液體,分別是[Hmim]Cl、[Hmim]Br、[Hmim]PF_6、[Hmim]BF_4、[Hmim]SbF_6。其中[Hmim]Cl、[Hmim]Br是合成另外三種疏水性離子液體的原料。根據(jù)對疏水性離子液體的熱穩(wěn)定性分析和電導(dǎo)率測試,[Hmim]BF_4熱穩(wěn)定性滿足裂解溫度要求,電化學(xué)性能最優(yōu),最終選擇[Hmim]BF_4作為催化劑進(jìn)行后續(xù)的催化裂解研究。(2)對木聚糖和木聚糖/[Hmim]BF_4混合樣品的熱重分析顯示,裂解分為四個階段,對最終固體殘渣率計算得知,木聚糖單獨裂解的固體殘渣得率(24.12%)大于混合樣品中的固體殘渣得率(3.09%),說明[Hmim]BF_4有效避免焦炭的生成。(3)在160-280℃分溫度梯度在[Hmim]BF_4進(jìn)行木聚糖催化裂解實驗,并通過SEM、FT-IR和GC-MS等分別對木聚糖裂解的三相產(chǎn)物進(jìn)行分析。結(jié)果顯示[Hmim]BF_4對木聚糖的熱裂解具有良好的催化效果,[Hmim]BF_4更容易得到液相產(chǎn)物。生物炭在260℃裂解成更小的顆粒狀物質(zhì),氣相產(chǎn)物產(chǎn)量在260℃達(dá)到最大值(148ml),液相結(jié)果顯示木聚糖在不同的溫度下生成了醛類、醇類、烴類、羧酸類及酮類物質(zhì),在260℃,糠醛的相對含量達(dá)到最大值,為90%,綜合考慮選擇260℃為裂解效果最好的裂解溫度。(4)在最優(yōu)溫度260℃條件下,分電壓梯度(1V、1.5V、2V、2.5V、3V、3.5V)在[Hmim]BF_4中催化裂解木聚糖,木聚糖裂解的三相產(chǎn)物通過GC-MS、SEM和FT-IR進(jìn)行分析表征。結(jié)果表明在3V時氣體產(chǎn)量最大(450ml),通過控制電壓可以促進(jìn)氣體的產(chǎn)生。加電壓時與溫度梯度裂解相比,4-H-環(huán)戊環(huán)辛烯的相對含量均在90%以上,含量有所增加,證明電化學(xué)能夠強(qiáng)化液相產(chǎn)物脫氧,增加烴類產(chǎn)物的產(chǎn)量,提升了生物油作為液體燃料的品質(zhì)。
【圖文】：

明進(jìn)程的每一次推進(jìn)都伴隨著能源的重要變革[1]。全球能源發(fā)展經(jīng)歷了從原始薪柴到煤炭供應(yīng)，再到油氣時代、電氣時代的演變過程。目前，世界能源以化石能源供應(yīng)為主，有力支撐了社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[2]。為適應(yīng)未來能源發(fā)展需要，水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、太陽能等清潔能源正在加快開發(fā)，近20年來，世界能源發(fā)生了深刻變革，總體上形成煤炭、石油、天然氣主導(dǎo)的能源局面，清潔能源隨之快速發(fā)展的新格局。在保障未來世界能源供應(yīng)、促進(jìn)能源清潔開發(fā)過程中，將發(fā)揮越來越重要的作用。2017年世界能源結(jié)構(gòu)以及中美能源消費情況如圖1-1所示[3]。圖1-1世界及中美能源消費結(jié)構(gòu)Fig.1-1EnergyConsumptionStructureintheWorld,ChinaandtheUnitedStates從圖中可以看出化石能源依舊占據(jù)世界能源消費主導(dǎo)地位，其他能源僅占比12%，社會發(fā)展對化石能源的需求非常大，其將面臨化石能源枯竭的危機(jī)，，并且化石能源的消費給人類社會帶來了環(huán)境問題。《中國能源發(fā)展報告2017》中可以看出與世界能源消費情況基本一致，其他能源占比更少，其他能源包括太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等，可以看出這些比化石能源更清潔，來源更廣泛，并且可以再生，也能突出起未來能夠緩解能源危機(jī)的巨大潛力，相比于中國，美國在開發(fā)可再生資源方面比較成熟，美國可再生資源中對于生物質(zhì)的能力利用占很大比重。當(dāng)今我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展在穩(wěn)步前進(jìn)，能源消費增速趨緩，質(zhì)量和效率問題突出，能源轉(zhuǎn)型勢在必行。馬丁等[4]提出至2030年全球一次能源需求增速放緩，化石能源仍將是目前到2030年的能源消費主體，非化石能源將會大力發(fā)展，一次能源需求結(jié)構(gòu)將逐

電化學(xué)強(qiáng)化疏水性離子液體催化裂解半纖維素產(chǎn)物規(guī)律研究5產(chǎn)率影響較小[35]。Selhan等[36]研究了銣（Rb）和銫（Cs）碳酸鹽溶液（1M）對木材生物質(zhì)（280℃，15分鐘）通過高壓釜進(jìn)行加氫液化，研究發(fā)現(xiàn)在沒有催化劑只有熱處理的情況主要的液化產(chǎn)物是4-甲基苯酚、2-呋喃甲醛和2-甲氧基苯酚，當(dāng)加入催化劑時，生物質(zhì)液化的主要產(chǎn)物是酚類化合物和苯二醇衍生物，并且發(fā)現(xiàn)催化劑能夠抑制焦炭的形成，有利于生物質(zhì)形成生物油。圖1-2生物質(zhì)熱化學(xué)技術(shù)分類Fig.1-2Biomassthermochemicaltechnologyclassification1.1.4開發(fā)生物質(zhì)能的意義化石能源儲量有限且化石能源帶來的環(huán)境損害問題日益嚴(yán)重，煤炭，石油的燃燒會產(chǎn)生大量的SO2、CO2等氣體，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，近年來，空氣污染導(dǎo)致的霧霾嚴(yán)重影響人們的日常生活，據(jù)報道2013年全國霧霾污染范圍高達(dá)160萬Km2。SO2引發(fā)的酸雨對建筑物以及森林都具有腐蝕性。汽車汽油燃燒排放了大量的NOx、CO、碳?xì)浠衔铮℉C）、顆粒物等有害物質(zhì)，加劇了環(huán)境污染。因此，開發(fā)清潔可再生能源可以解決能源短缺和環(huán)境污染的問題。清潔可再生的能源包括核能，風(fēng)能，太陽能，生物質(zhì)能等，核能的問題在于核電站的安全，前蘇聯(lián)發(fā)生的切爾諾貝利事故影響非常大，近年來，日本也發(fā)生過核泄漏事故，不僅如此，核電站存在戰(zhàn)爭和恐怖襲擊的風(fēng)險，核電站如果遭到襲擊會產(chǎn)生嚴(yán)重后果，目前發(fā)達(dá)國家都在緩建核電站，在尋找更清潔、更安全的能源。風(fēng)能、太陽能受自然條件的制約，存在一定的不穩(wěn)定性。而生物質(zhì)能清潔可再生，是相比于其他能源具有明顯優(yōu)勢的能源，利用好生物質(zhì)能，將是很好的出路。因此生物質(zhì)能是未來替代化石燃料的一個前景能源，它是世界上儲量最豐富的清潔能源，大力開發(fā)利用生物質(zhì)能可以減少對煤炭
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK6

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本文編號：2708999