木质纤维素预处理工艺及高温液态水条件下的水解反应研究

发布时间：2017-03-31 00:07

  本文关键词：木质纤维素预处理工艺及高温液态水条件下的水解反应研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,日益凸显的能源危机和环境危机使得人们开始致力于开发绿色可再生能源,以木质纤维素为代表的生物质能因其储量巨大来源广泛而受到人们的重视。对木质纤维素类生物质的利用主要通过对其水解得可发酵糖,然后制取燃料乙醇的方式来实现。在现有水解条件的基础上,探索绿色高效的木质纤维素水解转化途径,并获得高的可发酵糖产率是当前的工作重点所在。高温液态水(LHW)和超临界二氧化碳(scCO2)作为绿色溶剂的代表,因其优良的溶剂特性和传质特性而受到国内外学术界的广泛重视,对高温液态水和scCO2用于化学反应一直是研究的热点,本文的实验研究主要是基于这两种绿色溶剂进行的木质纤维素转化技术。 本文主要进行了两方面的工作：一方面采用高温液态水耦合马来酸对木质纤维素进行两步法水解以获得高的还原糖产率,另一方面考察超声/scCO2及其祸合预处理对于木质纤维素水解的强化,并通过X射线衍射(XRD),高效液相色谱(HPLC),扫描电子显微镜(SEM)等表征结果和热力学计算阐明预处理作用的机理,得到结果如下： 1.采用高温液态水耦合马来酸两步法水解玉米芯和玉米秆,实验证明在第一步水解中,高温液态水能够有效去除半纤维素,在第二步水解中考察反应时间,反应温度,马来酸浓度,反应压力对玉米秆和玉米芯糖产率的影响,实验结果表明选择合适的反应压力能够实现高纤维素转化率和葡萄糖选择性的统一,采用两步法最佳工艺条件下对应的玉米芯的总糖产率为48.3%,玉米秆两步法总糖产率为36.3%；相对于一步法最佳工艺条件下对应的玉米芯和玉米秆分别为30%和11%的总糖产率有明显提升,对玉米芯第二步采用CO2耦合马来酸催化纤维素水解时,最佳工艺下对应两步法总糖产率为51.3%,说明加入CO2能够对纤维素的水解起到促进作用。 2.以玉米秆和玉米芯为原料,考察超声/scCO2及其耦合预处理中预处理温度,预处理压力,超声时间等对预处理效果的影响,实验结果表明对玉米芯采用scCO2预处理和超声/scCO2(?)耦合预处理均收到显著效果,最佳工艺条件对应的糖产率分别为63%和87%,比空白样分别提高了51%和65%,通过比较糖产率和样品SEM表征结果发现,预处理过程对玉米芯的效果要优于玉米秆,说明对于不同类别的原料,还需进一步探讨具有针对性的预处理方法。 3.以玉米芯为原料,采用高温液态水耦合scCO2进行预处理,考察预处理温度,预处理压力,含水量和预处理时间对预处理效果的影响,并采用马来酸进行水解评价,SEM表征结果证明通过高温液态水去除半纤维素后再采用CO2爆破对玉米芯结构破坏显著,最佳预处理条件下对应的糖产率为28.7%,与未经scCO2预处理的高温液态水水解残渣窄白样相比,相对增加量为35.5%,通过实验说明,采用马来酸对预处理效果进行评价是完全可行的,为预处理效果评价提供了新的选择。 4.采用状态方程-活度法计算了C02－H20二元体系的相平衡常数,进一步通过平衡常数经验公式计算了C02-H20体系的pH值,计算结果与实验值误差在1%以内。通过以上理论计算,能够很好的解释还原糖产率的变化,为探索预处理、高温液态水水解机理提供了理论参考。
【关键词】：木质纤维素 超临界二氧化碳 超声预处理 高温液态水 还原糖
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 文献综述13-39
• 1.1 木质纤维素的结构与性质13-14
• 1.2 木质纤维素的水解技术14-31
• 1.2.1 木质纤维素水解方法概述14-17
• 1.2.2 高温液态水的性质17-19
• 1.2.3 生物质各组分在高温液态水的水解19-28
• 1.2.4 富含CO_2的高温液态水用于生物质水解28-30
• 1.2.5 高温液态水水解与传统水解的比较30-31
• 1.3 木质纤维素的预处理技术31-38
• 1.3.1 常用预处理方法31
• 1.3.2 scCO_2预处理31-36
• 1.3.3 超声预处理36-38
• 1.4 论文研究内容38-39
• 2 高温液态水耦合马来酸两步法水解木质纤维素39-66
• 2.1 实验材料与方法39-47
• 2.1.1 实验材料及仪器设备39-40
• 2.1.2 生物质原料40-41
• 2.1.3 实验装置和流程41-43
• 2.1.4 产物分析及计算方法43-47
• 2.2 玉米芯两步法水解结果与讨论47-60
• 2.2.1 反应温度和反应时间对玉米芯半纤维素水解的影响47-48
• 2.2.2 第一步水解产物的pH变化规律48-50
• 2.2.3 第一步玉米芯水解固体残渣的成分分析50-51
• 2.2.4 第一步固体残渣XRD与SEM表征51-53
• 2.2.5 马来酸浓度对玉米芯纤维素水解的影响53-55
• 2.2.6 反应时间对玉米芯纤维素水解的影响55-56
• 2.2.7 反应压力对玉米芯纤维素水解的影响56-58
• 2.2.8 CO_2与马来酸耦合水解玉米芯纤维素58-60
• 2.3 玉米秆两步法水解结果与讨论60-64
• 2.3.1 反应温度和反应时间对玉米秆半纤维素水解的影响60
• 2.3.2 马来酸浓度对玉米秆纤维素水解的影响60-61
• 2.3.3 反应时间对玉米秆纤维素水解的影响61-62
• 2.3.4 反应压力对玉米秆纤维素水解的影响62-64
• 2.4 两步法水解与一步法水解的比较64
• 2.5 本章小结64-66
• 3 木质纤维素的scCO_2/超声预处理及其耦合效应66-80
• 3.1 实验材料与方法66-69
• 3.1.1 实验材料及仪器设备66-68
• 3.1.2 实验装置和流程68-69
• 3.1.3 产物分析与计算方法69
• 3.2 ScCO_2预处理生物质69-74
• 3.2.1 预处理压力的影响69-71
• 3.2.2 预处理温度的影响71-72
• 3.2.3 预处理时间的影响72-73
• 3.2.4 scCO_2预处理样品的SEM表征73-74
• 3.3 超声与scCO_2的耦合预处理的影响74-79
• 3.3.1 耦合过程中超声时间对预处理效果的影响74-77
• 3.3.2 耦合预处理样品的SEM和XRD表征77-79
• 3.4 本章小结79-80
• 4 scCO_2耦合高温液态水预处理水解玉米芯80-88
• 4.1 实验材料与方法80-81
• 4.1.1 实验材料及仪器设备80
• 4.1.2 实验装置和流程80-81
• 4.1.3 产物分析及计算方法81
• 4.2 结果与讨论81-87
• 4.2.1 反应温度和含水量对预处理效果的影响81-82
• 4.2.2 CO_2压力对预处理效果的影响82-83
• 4.2.3 预处理时间对预处理效果的影响83-84
• 4.2.4 scCO_2预处理样品水解液组分分析84-85
• 4.2.5 预处理样品的SEM表征结果85-87
• 4.3 本章小结87-88
• 5 CO_2-H_2O二元体系相平衡及pH值估算88-94
• 5.1 气液相平衡的计算88-91
• 5.1.1 理论模型88-90
• 5.1.2 组分摩尔分数x_i、y_i的求解90-91
• 5.2 富含CO_2的高温液态水的pH值计算91-93
• 5.2.1 理论模型91-92
• 5.2.2 计算值与文献实验值的对比92-93
• 5.3 本章小结93-94
• 结论94-95
• 参考文献95-103
• 附录A 符号及缩写说明103-104
• 附录B 反应釜温度与压力变化曲线104-105
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况105-106
• 致谢106-107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 侯玉林;万金泉;马邕文;王艳;韩东辉;段媛;;超声波对再生植物纤维结构及其水解反应影响的研究[J];中华纸业;2012年04期

2 范鹏程;田静;黄静美;雷文泉;邱会东;;花生壳中纤维素和木质素含量的测定方法[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2008年05期

3 刘慧屏;银建中;徐刚;;超/亚临界水两步法水解玉米秸秆制备还原糖[J];化学与生物工程;2010年11期

4 吕秀阳,何龙,郑赞胜,蔡磊;近临界水中的绿色化工过程[J];化工进展;2003年05期

5 余强;庄新姝;袁振宏;亓伟;王闻;王琼;杨丽芳;谭雪松;;木质纤维素类生物质高温液态水预处理技术[J];化工进展;2010年11期

6 李琰;任秀珍;亓伟;孙秀云;张素平;;生物质稀酸水解技术研究进展[J];吉林化工学院学报;2009年04期

7 刘慧屏;银建中;徐刚;;超/亚临界水解技术在生物质转化中的应用研究进展[J];生物质化学工程;2010年01期

8 刘慧屏;徐刚;罗鹏;银建中;;超/亚临界水两步法水解稻秆制备还原糖[J];生物质化学工程;2011年04期

9 徐明忠;庄新姝;袁振宏;许敬亮;孙永明;李连华;孔晓英;;木质纤维素类生物质稀酸水解技术研究进展[J];可再生能源;2008年03期

10 江滔;路鹏;李国学;;玉米秸秆稀酸水解糖化法影响因子的研究[J];农业工程学报;2008年07期

  本文关键词：木质纤维素预处理工艺及高温液态水条件下的水解反应研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：278403