利用農(nóng)作物秸稈制備甲烷的研究

【摘要】：隨著煤、石油和天然氣等化石能源的危機(jī)，人們逐漸把目光轉(zhuǎn)向生物質(zhì)能源，其中甲烷就是一種新型的、潔凈的生物質(zhì)能源，我國(guó)又是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，因此利用農(nóng)作秸稈制備甲烷就顯得勢(shì)在必行。針對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷的工藝，本文從以下幾個(gè)方面做了研究： 1.不同堿預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)選用NaOH、KOH和CO(NH3)三種堿作為玉米秸稈的預(yù)處理劑，在不同預(yù)處理用量和不同有機(jī)負(fù)荷率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析比較了它們對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力的影響，發(fā)現(xiàn)NaOH對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷能力的影響最大，因此確定NaOH作為玉米秸稈的預(yù)處理劑。 2.預(yù)處理劑NaOH的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)從預(yù)處理劑用量、預(yù)處理溫度和預(yù)處理時(shí)間三方面對(duì)NaOH預(yù)處理玉米秸稈進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果為：（1）預(yù)處理劑用量：與未經(jīng)NaOH預(yù)處理的玉米秸稈相比，預(yù)處理過(guò)的玉米秸稈在日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、甲烷含量方面都有較大提高，綜合比較各方面因素，確定2﹪NaOH用量為適宜預(yù)處理劑用量。（2）預(yù)處理溫度：預(yù)處理溫度為10℃和30℃情況下，玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果較好，且這兩者之間并無(wú)明顯差別，但溫度為10℃時(shí)，玉米秸稈厭氧發(fā)酵的消化效率更高，因此確定溫度10℃為適宜的預(yù)處理溫度。（3）預(yù)處理時(shí)間：綜合比較了預(yù)處理3天和6天的玉米秸稈在各方面都無(wú)明顯差別，但添加的NaOH在3天后基本被消耗完，因此確定3天為適宜預(yù)處理時(shí)間。因此預(yù)處理劑NaOH的優(yōu)化參數(shù)為2﹪的用量、溫度為10℃、預(yù)處理時(shí)間為3天、有機(jī)負(fù)荷率為65g·L-1。 3. NaOH預(yù)處理玉米秸稈的機(jī)理研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用掃描電鏡和傅里葉紅外光譜分析手段，從秸稈的微觀物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分三方面對(duì)2%NaOH預(yù)處理過(guò)的玉米秸稈進(jìn)行研究，探討其內(nèi)在機(jī)理，發(fā)現(xiàn)：（1）預(yù)處理后的玉米秸稈，我們用掃描電鏡觀察可知，2%NaOH預(yù)處理過(guò)的玉米秸稈，表面變得粗糙，結(jié)構(gòu)被破壞明顯，并且細(xì)密的結(jié)構(gòu)變的疏松，出現(xiàn)了分層、脫落現(xiàn)象。（2）預(yù)處理后的玉米秸稈，其化學(xué)結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生了變化，木質(zhì)素-碳水化合物結(jié)合而成的復(fù)合物中連接鍵被破壞并且斷裂，是纖維素和半纖維素在包裹中被釋放出來(lái)，提高了纖維素接觸厭氧發(fā)酵菌的機(jī)會(huì)，是玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率提高的基本原因。（3）預(yù)處理后的玉米秸稈，其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量有了很大的變化，纖維素含量由原來(lái)的30.5%變?yōu)?5.4%，半纖維素含量由原來(lái)28.2%變?yōu)?1.7%，木質(zhì)素含量由原來(lái)12.5變?yōu)?0.5%，總含量由原來(lái)71.2%變?yōu)?7.6%，降低幅度分別為20.08%、29.95%、19.05%、23.61%。經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理的玉米秸稈，物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分這三個(gè)方面所發(fā)生的上述變化，對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的提高起到了決定性作用，也是NaOH預(yù)處理玉米秸稈的內(nèi)在機(jī)理。 本文對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷工藝的研究，對(duì)秸稈的綜合利用、減少秸稈對(duì)環(huán)境的污染和新能源的開(kāi)發(fā)具有重要的意義，結(jié)合當(dāng)代中國(guó)的國(guó)情，在我國(guó)推廣玉米秸稈制備甲烷的工藝具有十分光明的前景。 【關(guān)鍵詞】：玉米秸稈 厭氧發(fā)酵 堿預(yù)處理 甲烷 NaOH
【學(xué)位授予單位】：西安工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TQ221.11
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-24
• 1.1 研究背景8
• 1.2 甲烷的研究現(xiàn)狀8-9
• 1.3 秸稈的產(chǎn)生﹑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及處理現(xiàn)狀9-17
• 1.3.1 秸稈的產(chǎn)生9-10
• 1.3.2 秸稈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)10-15
• 1.3.3 秸稈的利用現(xiàn)狀15-16
• 1.3.4 秸稈的處理方法16-17
• 1.4 秸稈的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)17-21
• 1.4.1 厭氧生物處理過(guò)程17-19
• 1.4.2 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的基本原理19-20
• 1.4.3 影響厭氧發(fā)酵的主要因素20-21
• 1.5 秸稈厭氧發(fā)酵制備甲烷過(guò)程中存在的技術(shù)問(wèn)題21-22
• 1.6 研究目標(biāo)與內(nèi)容22-24
• 1.6.1 研究目標(biāo)22
• 1.6.2 研究?jī)?nèi)容22-24
• 第二章 不同堿預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的影響24-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法24-28
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料24-25
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法25-27
• 2.1.3 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)27
• 2.1.4 分析方法27-28
• 2.2 不同堿預(yù)處理的玉米秸稈對(duì)厭氧發(fā)酵的影響28-32
• 2.2.1 氫氧化鈉（NaOH）28-30
• 2.2.2 氫氧化鉀（KOH）30-31
• 2.2.3 尿素（CO（NH3））31-32
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較32-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 預(yù)處理劑 NaOH 的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)34-43
• 3.1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法34-35
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料34
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法34-35
• 3.2 預(yù)處理劑用量35-37
• 3.2.1 日產(chǎn)氣量35-36
• 3.2.2 累積產(chǎn)氣量36
• 3.2.3 甲烷含量36-37
• 3.3 預(yù)處理溫度37-39
• 3.3.1 日產(chǎn)氣量37-38
• 3.3.2 累積產(chǎn)氣量38-39
• 3.3.3 甲烷含量39
• 3.4 預(yù)處理時(shí)間39-42
• 3.4.1 日產(chǎn)氣量40
• 3.4.2 累積產(chǎn)氣量40-41
• 3.4.3 甲烷含量41-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 第四章 NaOH 預(yù)處理玉米秸稈的機(jī)理研究43-50
• 4.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法43-44
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)材料43
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)方法43-44
• 4.2 實(shí)驗(yàn)分析44-49
• 4.2.1 物理結(jié)構(gòu)44
• 4.2.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)44-48
• 4.2.3 化學(xué)成分48-49
• 4.3 本章小結(jié)49-50
• 第五章 結(jié)果討論與展望50-53
• 5.1 結(jié)果50-51
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)51
• 5.3 展望51-53
• 參考文獻(xiàn)53-59
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表文章59-62
• 致謝62

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