【摘要】：隨著生物質(zhì)固體廢棄物量的增多,土壤污染和退化問題的日益嚴(yán)峻,合理開發(fā)和利用生物質(zhì)資源,研發(fā)新型有效的土壤修復(fù)劑已成為當(dāng)前緊迫的研究課題。生物質(zhì)炭對增加土壤碳庫貯量、提高土壤肥力以及維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡意義重大,日益受到全世界的關(guān)注。熱轉(zhuǎn)化技術(shù)是實現(xiàn)生物質(zhì)利用的最有效途徑,催化熱解被認(rèn)為是改變生物質(zhì)熱解條件和熱解產(chǎn)物分布與性質(zhì)的最有效方法。本文對生物質(zhì)(水稻秸稈和竹廢料)的催化熱解炭化試驗和機(jī)理展開了系統(tǒng)的研究,主要研究內(nèi)容及成果如下： 1、對生物質(zhì)原料的理化性質(zhì)進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示：竹廢料有相對較高的纖維素和木質(zhì)素含量,水稻秸稈則含有更多的半纖維素；工業(yè)分析顯示竹廢料的揮發(fā)份含量約為86%,水稻秸稈的灰分含量較大為15%；兩種原料中的N、S的含量均是微量的。 2、以生物質(zhì)三種組分為原料進(jìn)行熱重試驗,考察了七種添加劑(KOH、TiO2、 CuCl、CaCl2、FeCl2、KCl和NaCl)和升溫速率對熱解特性的影響,并求取了熱解動力學(xué)參數(shù)。結(jié)果顯示：半纖維素的熱解起始溫度最低,纖維素的最大熱解速率最高：KOH可顯著增大纖維素和木質(zhì)素?zé)峤夤腆w產(chǎn)物的得率；CuCl主要是可降低木聚糖熱解溫度,增大木聚糖熱解速率；CaCl2可降低木聚糖和木質(zhì)素?zé)峤鉁囟?而FeC12可降低聚糖熱解溫度。隨熱解升溫速率的增大,熱解曲線逐漸向高溫區(qū)移動,失重速率增大。 3、以水稻秸稈和竹廢料為原料進(jìn)行熱重試驗,考察了KOH、TiO2和加熱速率的影響,并求取了熱解動力學(xué)參數(shù),同時采用TG-FTIR分析了兩種原料熱解過程中揮發(fā)性產(chǎn)物的析出特性。結(jié)果顯示：竹廢料熱解的起始溫度較低,熱解速率較快；水稻秸稈熱解的固體得率大,而竹廢料熱解的氣液得率高。竹廢料熱解反應(yīng)的表觀活化能在172.04-233.48KJ/mol之間,水稻秸稈熱解反應(yīng)的表觀活化能在152.05-233.46KJ/mol之間。KOH可改變生物質(zhì)熱重曲線,TiO2對失重曲線的影響不明顯；兩種生物質(zhì)熱解的揮發(fā)性產(chǎn)物主要為CO2、H2O、CO、CH4、烷烴和脂類、C-O-C化合物和醛以及有機(jī)酸,竹廢料的揮發(fā)性產(chǎn)物量較大。 4、以水稻秸稈和竹廢料為原料,在自制的熱解反應(yīng)器上進(jìn)行熱解炭化試驗,結(jié)果顯示：竹生物質(zhì)炭的得率在28-35%之間,水稻秸稈炭的得率在41-52%之間,常規(guī)熱解法較適宜于生物質(zhì)熱解制炭；隨著熱解溫度的升高,炭得率逐漸減小；添加Ti02可略增大生物質(zhì)炭的得率；而KOH的添加量較低時,可促進(jìn)炭的得率,當(dāng)添加劑的量大于30%的生物質(zhì)量后,生物質(zhì)炭得率反而下降,低溫?zé)峤馓砑觿⿲μ康牡寐视绊戄^大；兩種添加劑均抑制液態(tài)產(chǎn)物的生成,但KOH能提高竹廢料熱解氣的得率。 5、采用儀器或化學(xué)的方法,分析了生物質(zhì)炭的理化性質(zhì),得到如下結(jié)論：隨著熱解溫度的升高,生物質(zhì)炭中碳元素含量增大,而氫和氧元素含量降低,而且竹生物質(zhì)炭的碳元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水稻秸稈炭的；生物質(zhì)炭均含有多種礦物質(zhì)元素,水稻秸稈炭中礦物質(zhì)元素含量均較高；兩種生物質(zhì)炭均顯示出堿性,隨熱解溫度的升高,堿性增強,Ti02可降低生物質(zhì)炭的pH值,而KOH則相反；生物質(zhì)炭表面含有多種官能團(tuán),包括O-H、C-O、芳香環(huán)的C=C等,隨熱解溫度升高炭中的脂肪族官能團(tuán)消失,而芳香族官能團(tuán)增大,當(dāng)添加KOH后炭中出現(xiàn)了無機(jī)的碳酸根官能團(tuán)；水稻秸稈炭的表面疏松多孔,溫度越高,生物質(zhì)炭的表面越疏松,孔也越明顯,Ti02可促進(jìn)炭表面的裂解程度；Ti02在生物質(zhì)熱解前后晶型不變,而添加KOH的生物質(zhì)炭中含有無機(jī)和有機(jī)鉀鹽,因此KOH與生物質(zhì)熱解產(chǎn)物發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),同時K具有催化作用�？梢奒OH催化生物質(zhì)熱解可得到一種富鉀生物質(zhì)炭土壤修復(fù)劑材料,而Ti02與生物質(zhì)熱解可得到一種含光催化劑的生物質(zhì)炭基環(huán)保材料。 6、生物質(zhì)熱解氣中有4種主要成分,H2、CO、CH4和C02,在低溫?zé)峤鈺rCO2的含量最高；熱解溫度升高,CH4的含量明顯增大,可燃性氣體含量增大；添加KOH可顯著提高H2的得率,可進(jìn)一步處理獲得H2,因此熱解氣的品質(zhì)得到了提高。 7、水稻秸稈生物油的化學(xué)組成主要由酮類、酚類和烷烴類、糠醛、糠醇和脂構(gòu)成；竹生物油的主要組成是酚類化合物,還有酮類和烷類化合物,以及少量的醇、酸和脂類物質(zhì)。兩種添加劑都提高了生物油中酚類物質(zhì)的相對含量。 利用本文提出的思路,即選擇合適的添加劑及添加量和生物質(zhì)原來共熱解可以獲得不同類型的生物質(zhì)炭復(fù)合材料,同時熱解條件和副產(chǎn)物的成分也可以得到顯著改善。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：S156

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2609125