稻草秸稈超低酸水解機理及水解動力學研究

【摘要】：隨著社會的不斷發(fā)展進步，人類的生活水平廣泛地得到提高，人們對物質生活及精神生活的要求與社會無法滿足這些要求的矛盾正日益凸顯。能源短缺、環(huán)境污染等是造成上述矛盾的主要因素。如何尋找新的、可再生的能源來代替化石能源以解決這些矛盾成為全世界研究的重點。生物質能源具有來源豐富、潛在轉化效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點得到了全世界專家和學者的廣泛關注。中國作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，含有豐富的生物質資源，在發(fā)展生物質能源方面具有巨大的潛在優(yōu)勢。含有纖維素和半纖維素的生物質通過水解制得可發(fā)酵糖然后發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇是生物質能源的一個重要部分。本文通過研究在高溫超低酸條件下稻稈中纖維素和半纖維素的水解規(guī)律，為燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎。主要研究結果如下： 1）在硫酸濃度為0.05(w)%條件下，稻稈高溫超低酸水解的最佳固體含量、最佳攪拌轉速分別為0.0500g/mL和700r/min。在此基礎上，稻稈在160℃條件下水解得到還原糖含量隨水解的進行呈單峰趨勢；在170～200℃呈雙峰趨勢；在210℃呈單峰趨勢。這與稻草秸稈中半纖維素和纖維素的水解得到的兩個還原糖峰隨水解的進行呈現(xiàn)疊加和分離有關。 2）通過對比研究杉木屑在半連續(xù)管式反應器內的乙醇/水二元混合體系水解過程，發(fā)現(xiàn)在適宜的乙醇/水比、水解溫度下，其水解產(chǎn)生的還原糖含量隨水解的進行也可以呈現(xiàn)雙峰趨勢，說明一定條件下由木質纖維素水解所產(chǎn)生的雙峰現(xiàn)象可能有一定的普遍性，且與秸稈的種類無關。 3）通過對稻草秸稈高溫超低酸的水解產(chǎn)物進行分析，發(fā)現(xiàn)稻稈超低酸水解的主要產(chǎn)物為纖維三糖、纖維二糖、葡萄糖、木糖、丙酮醛等，還原糖含量隨時間的變化規(guī)律與同種條件下稻草秸稈中半纖維素和纖維素隨時間的水解規(guī)律基本一致。水解副產(chǎn)物包括糠醛類、酮類、有機酸等。 4）通過對稻草秸稈高溫超低酸水解的固體殘渣進行分析，稻草秸稈水解后的顆粒粒徑明顯變小，顆粒比表面積明顯增大，半纖維素大部分水解，木質素的結構在一定程度上被破壞，纖維素部分水解，纖維素的聚合度急劇降低但結晶度仍較高。 5）根據(jù)半纖維素和纖維素超低酸水解反應動力學參數(shù)（指前因子以及反應活化能），建立起以半纖維素和纖維素為整體的集總動力學模型，通過模型得到的計算值與實驗值在水解前期相差較小，水解中后期相差較大，說明秸稈中半纖維素水解受秸稈組分的影響較小，纖維素水解受秸稈組分的影響較大。此集總動力學模型并不能反映木質纖維素中半纖維素和纖維素的水解的真實規(guī)律。木質素對稻草秸稈中半纖維素和纖維素超低酸水解的影響不可忽視。 【關鍵詞】：稻草秸稈 超低酸 單峰 雙峰 水解峰
【學位授予單位】：武漢工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TQ353
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-12
• 第1章 文獻綜述12-30
• 1.1 前言12-13
• 1.2 木質纖維素結構組成13-19
• 1.2.1 纖維素14-17
• 1.2.2 半纖維素17-18
• 1.2.3 木質素18-19
• 1.3 木質纖維素的預處理19-21
• 1.3.1 物理方法19-20
• 1.3.2 化學預處理20-21
• 1.3.3 物理化學法21
• 1.4 木質纖維素的水解方法21-22
• 1.4.1 酸水解21-22
• 1.4.2 超/亞臨界水解22
• 1.4.3 酶水解22
• 1.5 木質纖維素水解過程中的動力學模型22-27
• 1.5.1 糖類的降解動力學23-24
• 1.5.2 半纖維素的水解動力學24-25
• 1.5.3 纖維素的水解動力學25-26
• 1.5.4 木質素的降解動力學26-27
• 1.5.5 木質纖維素的水解動力學27
• 1.6 本工作的意義和主要內容27-30
• 1.6.1 本工作的意義27-28
• 1.6.2 本工作的內容28-30
• 第2章 實驗裝置與分析方法30-38
• 2.1 實驗裝置30-31
• 2.2 實驗方法31
• 2.3 半纖維素的提取方法31
• 2.4 分析方法31-37
• 2.4.1 水解液的分析方法31-33
• 2.4.2 固體殘渣的分析方法33-37
• 2.5 實驗及分析儀器37
• 2.6 實驗所需藥品37-38
• 第3章 稻草秸稈高溫超低酸水解的研究38-48
• 3.1 稻草秸稈在不同超低酸溶液中的水解38-39
• 3.2 最佳固體含量和最佳攪拌轉速的確定39-46
• 3.2.1 固體含量對稻草秸稈超低酸水解的影響39-40
• 3.2.2 攪拌轉速對稻草秸稈超低酸水解的影響40-41
• 3.2.3 溫度和時間對稻草秸稈超低酸水解的影響41-44
• 3.2.4 半纖維素和纖維素轉化率的變化趨勢44-45
• 3.2.5 對比與探討45-46
• 3.3 本章小結46-48
• 第4章 稻草秸稈超低酸水解產(chǎn)物的分析48-58
• 4.1 液體水解產(chǎn)物的分析48-51
• 4.1.1 水解液的 HPLC 分析48-50
• 4.1.2 水解液的 GC-MS 分析50-51
• 4.2 固體水解產(chǎn)物的分析51-55
• 4.2.1 固體殘渣的 BET 分析51-52
• 4.2.2 固體殘渣的 X 衍射分析52-53
• 4.2.3 固體殘渣的 FITR 分析53-54
• 4.2.4 固體殘渣的 SEM 分析54-55
• 4.3 本章小結55-58
• 第5章 稻草秸稈中半纖維素、纖維素的水解和木質素的降解58-64
• 5.1 半纖維素的水解58-59
• 5.2 纖維素的水解59-60
• 5.3 木質素的降解60-61
• 5.4 本章小結61-64
• 第6章 稻草秸稈超低酸水解的動力學研究64-76
• 6.1 半纖維素及纖維素的水解動力學64-70
• 6.1.1 半纖維素的水解動力學64-68
• 6.1.2 纖維素的水解動力學68-70
• 6.2 稻草秸稈水解動力學模型70-72
• 6.3 木質素的降解動力學72-75
• 6.3.1 木質素的降解動力學模型72-73
• 6.3.2 降解動力學參數(shù)的確定73-75
• 6.4 本章小結75-76
• 第7章 結論與建議76-78
• 7.1 結論76-77
• 7.2 建議77-78
• 參考文獻78-88
• 碩士期間發(fā)表論文88-90
• 致謝90

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