淺談改性廢棄生物質工業范文

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關鍵詞：玉米秸稈；葵花籽皮；改性；工業分析

生物質能源是僅次于煤、石油、天然氣等化石能源的第四大能源［1］，是一種可替代化石能源的可再生碳資源［2］，具有分布廣、二氧化碳零排放等優點。生物質中富含大量的纖維素、木質素，在一定條件下可以被軟化作為粘結粉煤的廉價粘結劑，這一應用已引起研究者的極大興趣［3－5］。在環保愈發重要、一次能源日益緊缺的今天，以廢棄生物質為原料制備生物質燃料，不僅能有效改善原煤燃燒帶來的環境污染，還能將廢棄生物質資源化和能源化利用［6－7］。作者采用不同濃度NaOH溶液改性廢棄玉米秸稈和葵花籽皮，將其作為粉煤成型的粘結劑制備生物質型煤，并參照國標GB／T212－2008對改性玉米秸稈和改性葵花籽皮進行水分、灰分、揮發分和固定碳等工業分析。試圖從根本上改變農作物秸稈不易儲存、不易運輸和能量密度低等缺點，實現生物質從廢棄物到能源的轉換，為生物質粘結性及粘結機理的進一步研究提供理論依據。

1實驗

1．1材料

玉米秸稈，取自榆林市周邊農村；葵花籽皮，取自榆林市周邊葵花籽油加工廠。均清洗干凈，自然干燥后粉碎至3mm以下，儲于廣口瓶中，密封，備用。

1．2改性玉米秸稈和改性葵花籽皮的制備

分別配制濃度為1．5％、2．0％、2．5％的NaOH溶液置于錐形瓶中，加入5％（質量分數，下同）的玉米秸稈粉末，加熱至80℃水解反應2h，得到不同濃度NaOH改性玉米秸稈粘結劑。分別配制濃度為1．5％、2．0％、2．5％、3．5％、5．0％的NaOH溶液置于錐形瓶中，加入5％的葵花籽皮粉末，加熱至80℃水解反應2h，得到不同濃度NaOH改性葵花籽皮粘結劑。用砂芯漏斗過濾上述粘結劑，固相部分用蒸餾水清洗殘留NaOH，置于空氣干燥箱中干燥至恒重，進行工業分析。

1．3工業分析

參照GB／T212－2008對改性玉米秸稈和改性葵花籽皮進行工業分析。采用通氮干燥法測定空氣干燥基樣品水分含量Mad；采用緩慢灰化法測定空氣干燥基樣品灰分含量Aad，并換算為干燥基樣品灰分含量Ad；采用高溫快速熱解法測定空氣干燥基樣品揮發分含量Vad，并換算為干燥無灰基揮發分含量Vdaf；最后計算出干燥無灰基固定碳含量FCdaf。

2結果與討論

2．1水分分析

不同濃度NaOH改性的玉米秸稈和葵花籽皮的水分含量如圖1所示。由圖1a可知，隨著NaOH濃度的增加，改性玉米秸稈的水分含量先上升后下降；2．0％NaOH改性玉米秸稈的水分含量最高，為5．85％；未改性玉米秸稈的水分含量最低，為5．32％。由圖1b可知，相比改性玉米秸稈，改性葵花籽皮的水分含量偏低，基本保持在3．0％左右，說明玉米秸稈較葵花籽皮更易于改性。隨著NaOH濃度的增加，改性葵花籽皮的水分含量先上升后下降；2．5％NaOH改性葵花籽皮的水分含量最高，為3．86％。分析認為，未改性的生物質結構致密，孔隙少，比表面積小，結合或容納的水分子少；隨著NaOH濃度的增加，生物質的改性或降解作用增強，當NaOH濃度為2．0％～2．5％時，在不破壞生物質原有結構的情況下，可最大限度地將可溶物溶出；改性生物質的孔隙多，比表面積大，可容納較多的游離水；而且生物質被NaOH水解后，裸露出許多活性基團，可與水分子結合形成氫鍵，成為結合水；但NaOH濃度過高時，生物質原本的框架結構遭強堿破壞，吸附性能下降。

2．2灰分分析

不同濃度NaOH改性的玉米秸稈和葵花籽皮的灰分含量如圖2所示。由圖2a可知，2．0％NaOH改性玉米秸稈的灰分含量最低，為2．94％；2．5％NaOH改性玉米秸稈的灰分含量最高，為6．23％?？芍?，NaOH濃度較高時，改性玉米秸稈的灰分含量也較高。由圖2b可知，隨著NaOH濃度的增加，改性葵花籽皮的灰分含量先下降后上升；2．5％NaOH改性葵花籽皮的灰分含量最低，為1．58％；5．0％NaOH改性葵花籽皮的灰分含量最高，為3．25％。分析認為，改性生物質中灰分含量主要與改性生物質的結構有關。在改性生物質的結構保持完整的情況下，礦物質與煤有機質之間的作用力在堿性溶劑作用下變得松動，有利于降低灰分含量，導致所制備的生物質型煤灰分含量同樣偏低，發熱量增加，提高了其商業價值和使用價值。而當NaOH濃度較高時，改性生物質結構嚴重破壞，大量有機物被溶解，礦物質與有機質新生基團重新緊密結合，不被溶出而累積?；曳趾康偷恼辰Y劑適宜作為粉煤成型粘結劑，可見，以2．0％NaOH改性玉米秸稈或2．5％NaOH改性葵花籽皮作為粘結劑制備型煤，性能更優越。

2．3揮發分分析

不同濃度NaOH改性的玉米秸稈和葵花籽皮的揮發分含量如圖3所示。由圖3a可知，改性玉米秸稈的揮發分含量較未改性玉米秸稈低，主要是因為NaOH將玉米秸稈中可溶解小分子組分溶出所致。隨著NaOH濃度的增加，改性玉米秸稈的揮發分含量先上升后下降，2．0％NaOH改性玉米秸稈的揮發分含量最高，為87．00％。這是因為，當NaOH濃度較低時，對玉米秸稈的改性不夠充分，孔小且少，不利于揮發分析出；當NaOH濃度較高時，生物質結構遭到一定程度的破壞，較多的有機質分子溶于NaOH中，原有結構變為不溶的大分子網絡結構，熱解中可析出的側鏈和官能團等小分子減少，故揮發分含量降低。由圖3b可知，改性葵花籽皮的揮發分含量較未改性葵花籽皮低。隨著NaOH濃度的增加，改性葵花籽皮的揮發分含量先上升后下降，2．5％NaOH改性葵花籽皮的揮發分含量最高，為80．94％。這是因為，NaOH濃度為2．5％時，改性葵花籽皮的孔隙結構最發達，為熱解過程中揮發分充分析出提供了通道，故其揮發分含量較高；而NaOH濃度為2．0％時，改性玉米秸稈的揮發分含量最高（87．00％）。說明葵花籽皮較玉米秸稈的結構更加致密穩定，宜采用較高濃度的NaOH改性。揮發分含量高的粘結劑適宜作為粉煤成型粘結劑，可見，以2．0％NaOH改性玉米秸稈或2．5％NaOH改性葵花籽皮作為粘結劑制備型煤，性能更優越。

2．4固定碳分析

煤中揮發分析出后以固體形式殘留下來的有機質大分子稱為固定碳［8－9］，析出的揮發分越多，殘留下來的固定碳越少。不同濃度NaOH改性的玉米秸稈和葵花籽皮的固定碳含量如圖4所示。由圖4a可知，改性玉米秸稈的固定碳含量保持在14％左右，其中2．0％NaOH改性玉米秸稈的固定碳含量最低，為13．00％。由圖4b可知，改性葵花籽皮的固定碳含量較未改性葵花籽皮高，保持在20％左右，其中2．5％NaOH改性葵花籽皮的固定碳含量最低，為19．06％。

3結論

采用廢棄玉米秸稈和葵花籽皮為原料，經不同濃度NaOH溶液改性，得到改性玉米秸稈和改性葵花籽皮，并參照國標GB／T212－2008對改性玉米秸稈和改性葵花籽皮進行水分、灰分、揮發分和固定碳等工業分析。結果表明：葵花籽皮結構較玉米秸稈更穩定，若要達到粘結粉煤同等效果，改性葵花籽皮所需NaOH濃度較改性玉米秸稈高。改性玉米秸稈的水分含量較改性葵花籽皮整體偏高。2．0％NaOH改性玉米秸稈與2．5％NaOH改性葵花籽皮灰分含量最低，分別為2．94％和1．58％；其揮發分含量最高，分別為87．00％和80．94％；其固定碳含量最低，分別為13．00％和19．06％。2．0％NaOH改性玉米秸稈與2．5％NaOH改性葵花籽皮作為粉煤成型的粘結劑較為適宜。

參考文獻：

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［2］蔣劍春．生物質能源轉化技術與應用（Ⅰ）［J］．生物質化學工程，2007，41（3）：59－65．

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［5］程芳琴，李瑩英，路廣軍，等．改性生物質作為型煤黏結劑的研究［J］．煤化工，2008，36（5）：25－29．

［8］張雙全．煤化學［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2003：64－65．

［9］何軒明．煤化學［M］．北京：冶金工業出版社，2012：43－44．

作者：陳娟 閆濤 劉元 馬向榮 單位：榆林學院化學與化工學院