矿物对生物质炭化过程的影响研究

发布时间：2020-08-07 04:13

【摘要】：生物质因成本廉价、原料来源多样、通过光合作用可再生等优点吸引了科研人员的广泛关注,由生物质制备碳材料也成为目前研究的热点问题。制备出的生物质碳材料可广泛应用在土壤增肥、环境修复、锂离子电池碳基阳极材料、离子交换树脂、吸附材料以及催化剂领域。在研究与应用过程中发现,自然界中的生物质往往与天然矿物共存,而矿物的存在会对生物质的炭化产生微妙的影响,从而影响生物质碳材料的使用性能。然而,目前关于矿物对生物质炭化影响的报道还不多见,缺乏深入的认识。因此,本文选择两种常见矿物蛋白石、高岭石与纤维素、葡萄糖、壳聚糖和柳树叶构成炭化体系,通过测试炭化产物的结构、形貌和性能特点探讨矿物对生物质炭化过程的影响。本文首先将蛋白石与羟丙基甲基纤维素构成水热炭化体系,探讨在蛋白石添加量和水热时间改变时,蛋白石对羟丙基甲基纤维素水热炭化的影响。研究发现蛋白石用量的增加能够促进水热炭化产物的形成,并使其在蛋白石表面紧密地堆积。同时蛋白石的加入也使得复合物产物的结构更加稳定。水热时间对产物的影响更为明显。HPMC的脱水反应主要发生在105-120 min之间,并随着水热炭化时间的延长,炭化产物水热焦炭的缩聚程度不断增强,炭化程度不断提高;蛋白石的存在对HPMC水热反应中的脱水、脱羟基和产生小分子的溶解过程有明显的促进作用;蛋白石的加入导致固体产物提前形成具有芳香化结构的水热焦炭,加速固体产物中水热焦炭的形成;蛋白石的存有利于水热焦炭中形成纳米级水热碳球(20-100 nm)。研究证实在生物质水热炭化过程中,非晶态硅质矿物(如蛋白石)对生物质水热炭化有着明确的促进效果,对固体产物的形成及生物质的转化均有促进作用。为了探讨晶态硅质矿物高岭石对生物质水热炭化的影响效果,将高岭石与多种生物质构成水热炭化体系,探讨高岭石对生物质转化的影响。实验结果表明,在230℃水热4 h条件下,壳聚糖和柳树叶基本保持着原有的结构,而葡萄糖和HPMC已经形成水热碳球,高岭石的加入使得葡萄糖水热产物碳球尺寸变大。高岭石能够粘附部分有机质,在一定程度上抑制水热炭化产物的聚集,在宏观上降低生物质复合物的粒径。此外,高岭石的添加使得水热液体具有一定的荧光效应。在所选的四种生物质水热液体中柳树叶水热液体的荧光效果最好。此外,本文还探讨了高岭石对不同气氛(空气、埋碳和氩气)热解炭化壳聚糖和柳树叶的影响。实验结果显示,高岭石的存在使得壳聚糖炭化复合产物和柳树叶炭化复合产物出现了介孔结构,但热解炭化温度的升高能够导致壳聚糖炭化复合产物结构坍塌,孔道减少。对比不同炭化气氛发现,在氩气氛围下,柳树叶热解产物的孔道更为明显,表明氩气气氛有利于生物质炭化形成多孔材料。此外,实验还发现在不同热解炭化温度条件下,柳树叶的存在会促进偏高岭石相转变成α-Al_2O_3相。在矿物影响生物质炭化过程的同时,生物质也会影响矿物相转变过程。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11
【图文】：

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【参考文献】