甘蔗渣为直接燃料的生物质液流燃料电池研究

发布时间：2020-06-01 16:39

【摘要】：生物质和生物质废弃物是理想的能源和碳基化学品来源,在制备化学品、燃料及发电等相关领域的应用研究已取得一定进展。虽然目前已可以利用生物质制备出化学品和燃料,但是直接使用天然生物质的作为底物时的研究进展缓慢,相关的技术储备严重不足,影响了其规模化的应用前景。而且目前的生物质发电技术多使用燃烧发电,能源转化效率低,难以实现生物质能向电能的高效转化。为实现生物质能向电能的高效转化,应运而生了可实现生物质与电能低温下直接转变的生物质液流燃料电池呈现出较好的综合性能。然而,目前已报道研究的生物质液流燃料电池的阴阳极氧化剂多采用多金属氧酸盐等,价格昂贵、合成过程复杂、发电效率低。本课题首先研究了丰富价廉的生物质废弃物甘蔗渣的氧化降解方法、降解机理及动力学行为,优化出低电位阳极电解液的适宜制备方法。然后研究了高电位阴极电解液的制备及再生方法,并进一步构建了直接生物质液流燃料电池系统,系统研究了电池的各项性能,优化出甘蔗渣直接高效转化为电能的适宜条件。主要研究工作如下:(1)研究了利用氯化铁氧化降解甘蔗渣,制得高价值化学品的方法。采用FT-IR、XRD、SEM、HPLC表征方法分析了降解产物,结果表明,甘蔗渣在反应时半纤维素和木质素结构都不同程度地发生了改变,无定形部分被降解结晶度发生了改变,表面结构发生显著变化,半纤维素和纤维素等物质分解成高附加值化学品。探索了甘蔗渣氧化降解机理,在氯化铁盐酸溶液的强氧化作用下,大分子有机物质逐渐分解生成一些中间产物,随后进一步分解生成呋喃类平台化学品(如5-羟甲基糠醛和糠醛等)。此外,以甘蔗渣氧化降解的典型中间产物葡萄糖为例,深入研究了氯化铁氧化降解生物质的动力学,探索了反应温度、时间和原料组成等动力学参数对反应速率的影响,进而得出该降解反应的反应活化能和动力学方程。(2)研究了甘蔗渣作为直接燃料时,液流燃料电池铁-钒体系的构建方法及其性能。探究了反应温度、甘蔗渣的用量和氯化铁的用量等参数对阳极电解液制备的影响。研究了甘蔗渣为直接燃料的铁-钒体系液流燃料电池的相关性能,结果表明,甘蔗渣氧化降解温度110℃、甘蔗渣用量2.0 g、FeCl_3用量1.5 mol L~(-1)时制备的阳极低价铁电解液与另外制备的高价钒阴极电解液,在电池的测试温度90℃、测试流速10 mL min~(-1),运行性能较佳,即开环电压0.7 V、最大电流密度1500 mA cm~(-2)、最大功率密度达到240 mW cm~(-2),这表明甘蔗渣用作直接燃料的可行性。当输出电压恒定,铁-钒体系液流燃料电池对外持续放电时,电流密度稳定在250 mA cm~(-2),电池基本可以稳定地对外供电,该结果进一步表明甘蔗渣用作直接燃料的可行性,甘蔗渣可以通过铁-铁体系液流燃料电池将生物质能转化为电能,实现生物质废弃物的高效转化利用。此外,还分析了甘蔗渣为直接燃料的铁-钒体系液流燃料电池工作原理,从理论上说明甘蔗渣通过该燃料电池转化为电能具有可行性。(3)研究了甘蔗渣作为直接燃料时,液流燃料电池铁-铁体系的构建方法及其性能。探究了氯化铁溶液浓度对阴极电解液性能的影响,以及阴极氯化铁溶液的再生方法。研究了甘蔗渣为直接燃料的铁-铁体系液流燃料电池的相关性能,结果表明,甘蔗渣氧化降解温度110℃、甘蔗渣用量2.0 g、FeCl_3用量1.5 mol L~(-1)时制备的阳极低价铁电解液与另外制备的阴极高价铁电解液,在电池的测试温度90℃、测试流速10 mL min~(-1)时,运行性能较佳,即开环电压0.44 V、最大电流密度780 mA cm~(-2)、最大功率密度达到50 mW cm~(-2),这表明甘蔗渣用作直接燃料的可行性。当恒定输出电压,铁-铁体系液流燃料电池对外持续放电时,电流密度稳定在200 mA cm~(-2),电池基本可以稳定地对外供电,该结果进一步表明甘蔗渣可直接作为燃料,通过铁-铁体系液流燃料电池将生物质能转化为电能,实现生物质废弃物的高效转化利用。同时,探究了阴极电解液再生的条件,结果发现硝酸在阴极电解液再生时起着关键作用。此外,还分析了甘蔗渣为直接燃料的铁-铁体系液流燃料电池工作原理,从理论上说明甘蔗渣通过该燃料电池转化为电能是完全可行的。
【图文】：

已经引起人们的广泛关注[5-7]。但是，如图 1-1 所示，次能源供应是可再生能源，因而潜力巨大[1]。另外，生再生、天然碳资源，一直都被人们用作化学品生产的原基化学品的理想替代资源[8-10]。因而，作为能源和碳资，既可有效解决能源和碳资源问题，又可改善生态环境理论和实际意义。

生物质和生物质废弃物，主要存在形式有秸秆、农产品加工废弃物、林业废弃物、质资源存在形式丰富、种类繁多，同时又碳资源更为复杂[13-15]。目前，生物质资源燃料制备以及发电等[16-45]。化学品转化技术制备多种化学品，在这些转化过的广泛关注[16-23]。既有直接将生物质转]，，先将生物质原料转化为一些中间平台化（山梨醇、木糖醇）、呋喃类（糠酵、5-羟）等，再将平台化学品转化为目标化学品
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;TK6

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本文编号：2691764