玉米秸稈保質貯存及水熱反應處理提高可生化性方法的研究

【摘要】：秸稈規(guī)?；瘏捬醢l(fā)酵制沼氣是最為有效資源化利用方法之一。由于秸稈木質纖維素含量高,直接對其進行厭氧發(fā)酵,不僅發(fā)酵速度慢、產氣量少,而且利用率低。因此,需要對其進行適當?shù)念A處理,以提高其可利用性。本文針對秸稈難水解的問題,從原料特性和預處理兩方面,對改善秸稈性質的保質貯存(或稱青貯)方法以及提高可生化性的可溶化方法進行了探討。 實驗將鮮玉米秸稈切成1-3 cm的小段,通過添加硝酸、乙酸和氨水等添加劑對切段后秸稈進行青貯。此外,還利用家用榨汁機,對切段后的秸稈進行榨汁處理,并以乙酸作為添加劑對秸稈榨汁渣進行青貯。通過分析青貯期完成后秸稈組成的變化,對青貯效果進行了初步評價。結果表明,與風干桿相比,青貯秸稈的木質素含量降低了12.3-25.8%,結晶度指數(shù)降低了4.4-20.1%。 對上述青貯秸稈進行高溫熱水預處理,并與風干秸稈在相同反應條件下的處理效果進行比較。結果發(fā)現(xiàn),乙酸組青貯秸稈的總糖得率最大值是風干秸稈最大值的2.4倍。 采用ZnCl_2, FeSO_4, Fe_2(SO_4)_3, FeCl_3和Fe(NO_3)_3作為催化劑對對照組(無添加劑)青貯秸稈進行催化水解,研究發(fā)現(xiàn),硝酸鐵對秸稈中半纖維素水解的催化效果最好。利用硝酸鐵對氨水組(添加氨水)青貯秸稈進行處理,并對硝酸鐵濃度、反應時間和反應溫度進行了優(yōu)化。結果表明,硝酸鐵為0.05 M,在150℃下,處理10 min時,水解液中的木糖產率達到91.8%理論木糖值,水解液中總糖濃度為33.48 g/L,糠醛濃度僅為0.03 g/L。 為了進一步提高秸稈水解效率,降低催化劑用量,本研究還探索了秸稈經不同溶液低溫浸泡,再對浸泡后的渣進行高溫硝酸鐵催化水解的兩步處理法。結果表明,Tween-80溶液和去離子水作為低溫浸泡液的兩步處理法的總糖得率比直接硝酸鐵處理法分別提高了17.5%和12.1%,硝酸鐵用量分別減少了31.9和28.3%,而氨水作為浸泡液的兩步處理法總糖得率小于直接處理法。雖然Tween-80浸泡處理效果比去離子水稍好,但考慮到Tween-80的添加會增加試劑成本,因此,去離子水是比較適宜的低溫浸泡液。此外,還利用去離子水作為低溫浸泡液的兩步處理法對不同的秸稈進行了處理,均取得了較好的水解效果。 本文還對硝酸鐵催化對照組和硝酸組(添加硝酸)青貯秸稈中的半纖維素水解動力學進行了研究。采用Seaman模型對實驗數(shù)據(jù)進行分析,得到木糖的生成速率和降解速率。結果表明,Saeman模型能夠很好的預測硝酸鐵催化青貯玉米秸稈中半纖維素的水解反應。并應用阿累尼烏斯方程計算出對照組和硝酸組青貯秸稈的半纖維素水解活化能分別為44.4和3.1 kJ/mol。 【關鍵詞】：玉米秸稈 青貯 預處理 添加劑 金屬鹽 動力學 兩步法
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-30
• 1.1 秸稈的產生與資源價值10-12
• 1.1.1 秸稈的產生10-11
• 1.1.2 秸稈的資源價值11-12
• 1.2 秸稈的化學組成與結構特性12-16
• 1.2.1 纖維素13-14
• 1.2.2 半纖維素14-15
• 1.2.3 木質素15-16
• 1.3 秸稈能源化利用現(xiàn)狀和存在的問題16-19
• 1.3.1 秸稈燃燒發(fā)電16-17
• 1.3.2 秸稈氣化17
• 1.3.3 秸稈制備乙醇17-18
• 1.3.4 秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣18-19
• 1.4 秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣前處理方法研究進展19-29
• 1.4.1 秸稈預處理方法19-25
• 1.4.2 秸稈的青貯技術25-29
• 1.5 研究目的與內容29-30
• 第二章 秸稈在不同貯存條件下的變化特性及水解效果評價30-49
• 2.1 材料與方法30-34
• 2.1.1 材料與設備30-31
• 2.1.2 試驗方法31-34
• 2.2 結果與討論34-48
• 2.2.1 秸稈青貯發(fā)酵產物變化情況分析34-36
• 2.2.2 青貯方法對秸稈化學組成及結構的影響36-38
• 2.2.3 鮮秸稈、風干秸稈以及青貯秸稈的高溫熱水處理結果對比分析38-48
• 2.3 小結48-49
• 第三章 青貯秸稈在金屬鹽催化下的水解效果分析49-59
• 3.1 材料與方法49-51
• 3.1.1 實驗材料與設備49-50
• 3.1.2 實驗方法50-51
• 3.2 結果與討論51-58
• 3.2.1 秸稈中半纖維素在不同金屬鹽催化下的水解效果51-52
• 3.2.2 硝酸鐵濃度對木糖產率的影響52
• 3.2.3 反應溫度和時間對秸稈中半纖維素水解的影響52-54
• 3.2.4 反應溫度和時間對秸稈中纖維素水解的影響54-56
• 3.2.5 反應溫度和時間對水解液中總糖產率的影響56
• 3.2.6 聯(lián)合強度因子對水解液中可溶性總糖和總抑制物濃度的影響56-57
• 3.2.7 SEM 分析57-58
• 3.3 小結58-59
• 第四章 秸稈兩步處理法效果與解析59-80
• 4.1 材料與方法59-60
• 4.1.1 實驗材料59-60
• 4.1.2 實驗方法60
• 4.2 結果與討論60-78
• 4.2.1 直接硝酸鐵催化水解結果分析60-62
• 4.2.2 低溫浸泡液的篩選62-71
• 4.2.3 不同秸稈兩步處理法水解效果分析71-78
• 4.3 本章小結78-80
• 第五章 青貯玉米秸稈中半纖維素水解動力學研究80-90
• 5.1 材料與方法80-82
• 5.1.1 實驗材料80
• 5.1.2 實驗方法80-82
• 5.2 實驗結果與討論82-89
• 5.2.1 青貯秸稈硝酸鐵催化水解過程動力學分析82-86
• 5.2.2 木糖產率的優(yōu)化86-87
• 5.2.3 水解液中總水溶性木糖產率87-88
• 5.2.4 水解液中糠醛的濃度88-89
• 5.3 本章小結89-90
• 第六章 結論與展望90-93
• 6.1 結論90-92
• 6.2 展望92-93
• 參考文獻93-103
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明103-104
• 致謝104

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