两种碱复合预处理对玉米秸秆厌氧消化产气性能的影响研究

发布时间：2017-10-27 06:05

  本文关键词：两种碱复合预处理对玉米秸秆厌氧消化产气性能的影响研究

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【摘要】：玉米秸秆是在我国大面积存在的一种农业副产物,具有分布不集中、堆积密度小、季节性强、运输成本高等特点,大量未被合理利用的秸秆被堆弃在田间,甚至直接露天燃烧,造成了环境污染问题。利用厌氧消化技术将玉米秸秆转化为清洁的沼气,可实现其资源化利用,是一种环境友好的可再生能源转化技术。根据玉米秸秆元素分析结果和理论甲烷潜力计算公式得出玉米秸秆理论产甲烷潜力为431.2 mL·gvs-1。玉米秸秆具有复杂的木质纤维结构,要提高秸秆的沼气转化效率,必须对其进行有效的预处理,打破各种木质纤维素成分之间的连接,从而加快其在厌氧发酵过程中的水解速度。本课题分别以KOH和Ca(OH)2为强碱、弱碱的代表,研究了两种碱对玉米秸秆结构和厌氧消化产气性能的影响。首先,选取KOH和Ca(OH)2两种碱作为预处理试剂,在常温下对玉米秸秆进行不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%w/v)的碱预处理,考察其对厌氧消化日产气量、累积产气量的影响,并通过扫描电镜、X-射线衍射、傅里叶中红外光谱、热重分析对不同预处理后玉米秸秆的结构进行分析,对其作用机理进行探讨。结果显示,常温下,KOH的预处理效果明显优于Ca(OH)2预处理,最佳的KOH预处理浓度为2.5%,累积甲烷产量为295.0 mL·gvs-1,比未预处理秸秆提升95.6%。KOH和Ca(OH)2预处理能有效去除木质素和半纤维素,且碱浓度越高,去除效果越好。在单独碱液预处理的基础上,为了节约预处理成本,研究了不同配比的KOH和Ca(OH)2常温联合预处理对玉米秸秆厌氧消化产气性能的影响。结果显示,KOH和Ca(OH)2常温联合预处理能有效提升玉米秸秆的产气性能,在保证厌氧消化效果的前提下可用Ca(OH)2部分替代KOH,减少KOH的用量。从节约成本的角度考虑,可选用0.5%KOH与2.0% Ca(OH)2混合预处理工艺,其累积甲烷产量与2.0%KOH单独预处理没有显著性差异,为271.4 mL·gvs-1,比未预处理提高了77.0%。此外,本课题还研究了热碱预处理对玉米秸秆厌氧消化性能的影响。在55℃下,分别采用不同浓度(0.5%、1.5%、2.0%、2.5%,w/v)KOH、Ca(OH)2以及不同配比的KOH和Ca(OH)2联合方式对玉米秸秆进行预处理,考察预处理温度提升后对厌氧产气效果的影响。结果显示,单独碱的热预处理能显著提升玉米秸秆厌氧消化产气性能。2.0% KOH预处理条件下产气性能最好,厌氧消化累积甲烷产量达到最大值290.8 mL·gvs-1,比未预处理秸秆提高了86.6%。热Ca(OH)2预处理比常温Ca(OH)2效果有显著提升,1.5% Ca(OH)2预处理累积甲烷产量为242.2 mL·gvs-1,比常温的同浓度条件下产甲烷量提升了19.7%,而热碱联合预处理的替代效果却不如常温碱联合预处理。因此从成本节约的角度考虑,55℃下,1.5% Ca(OH)2预处理为最适宜的条件。
【关键词】：玉米秸秆 厌氧消化 氢氧化钾 氢氧化钙
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X712;S216.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符号说明15-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 研究背景16-17
• 1.2 木质纤维素类生物质沼气化利用17-18
• 1.3 木质纤维素类生物质预处理技术应用现状18-24
• 1.3.1 生物预处理18-19
• 1.3.2 物理预处理19-20
• 1.3.3 化学预处理20-23
• 1.3.4 物理化学预处理23-24
• 1.4 研究目的及意义24-25
• 1.5 研究内容25-26
• 第二章 实验原料与方法26-34
• 2.1 实验原料与接种物26
• 2.2 实验试剂26
• 2.3 厌氧消化实验装置26-28
• 2.4 分析设备及方法28-31
• 2.4.1 测定项目及方法28-31
• 2.4.2 实验仪器31
• 2.5 厌氧消化动力学分析31
• 2.6 理论甲烷产量以及生物降解率31-32
• 2.7 数据分析与处理32-34
• 第三章 KOH和Ca(OH)_2单独预处理对玉米秸秆厌氧消化性能影响34-50
• 3.1 实验原料34-35
• 3.2 实验方法35-36
• 3.2.1 预处理方法35-36
• 3.2.2 厌氧消化实验设计36
• 3.3 结果与讨论36-49
• 3.3.1 预处理黑液性质36-38
• 3.3.2 预处理后秸秆成分变化情况38-39
• 3.3.3 厌氧消化产气情况分析39-44
• 3.3.4 动力学及生物降解率分析44
• 3.3.5 常温碱预处理对玉米秸秆结构的影响44-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 KOH与Ca(OH)_2联合预处理对玉米秸秆厌氧消化性能的影响50-62
• 4.1 实验原料50
• 4.2 实验方法50-51
• 4.2.1 联合预处理方法50-51
• 4.2.2 厌氧消化实验设计51
• 4.3 结果与讨论51-59
• 4.3.1 预处理后秸秆成分变化情况51-52
• 4.3.2 厌氧消化产气情况分析52-56
• 4.3.3 动力学及生物降解率分析56-57
• 4.3.4 碱联合预处理对玉米秸秆结构的影响57-59
• 4.3.5 经济性分析59
• 4.4 本章小结59-62
• 第五章 热碱预处理对玉米秸秆厌氧消化性能的影响62-76
• 5.1 实验材料62-63
• 5.2 实验方法63
• 5.2.1 热碱预处理方法63
• 5.2.2 批式厌氧消化试验设计63
• 5.3 结果与讨论63-74
• 5.3.1 热碱预处理后秸秆成分变化情况63-64
• 5.3.2 厌氧消化产气情况分析64-69
• 5.3.3 动力学及生物降解率分析69-70
• 5.3.4 常温碱预处理和热碱预处理累积甲烷产量对比70-72
• 5.3.5 热碱预处理对玉米秸秆结构的影响72-74
• 5.4 本章小结74-76
• 第六章 结论与展望76-78
• 6.1 结论76-77
• 6.2 创新点77
• 6.3 展望77-78
• 参考文献78-84
• 致谢84-86
• 研究成果及发表的学术论文86-88
• 作者和导师简介88-90
• 附件90-91

【参考文献】

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本文编号：1102207