生物质热解过程中持久性自由基的产生过程及机理

发布时间：2018-06-28 04:16

本文选题：生物炭 + 模型化合物　；参考：《昆明理工大学》2016年硕士论文

【摘要】：环境持久性自由基(Environmentally Persistent Free Radicals, EPFRs)是一种污染物,环境持久性自由基是相对传统关注的短寿命自由基而提出的。是指自由基在环境中的存在时间比一般的自由基寿命长,EPFRs在环境中存在数十分钟到几个小时甚至更长时间,并且具有顺磁稳定性,可以诱发生物系统产生更多的氧化应激有机物。EPFRs在环境中广泛存在,具有更强的环境持续性和毒性,对人体和环境的影响是十分巨大的。特别是云南地区,处于高原地区,并且土壤以富铝土为主,土壤中铁与多羧基有机酸络合,在紫外光照射下,发生类光Fenton反应,中间产物有自由基的生成,另外在大气中因为空气中的悬浮颗粒在经过紫外线的照射之后也可以产生持久性自由基,因此环境中处处存在EPFRs,并且也对对环境造成了一定的影响。生物炭作为近些年来关注比较多的物质,他有一系列的优点,但是其在制备的过程中,由于热解,生物炭中也存在EPFRs。并且由于不同来源的生物炭,具有不同的物理化学性质和稳定性,并且可能导致其中含有的EPFRs也是不尽相同的。因此本文选用在云南地区广泛种植的红松的木屑和农作物水稻的秸秆来进行原位反应和在不同温度和氛围条件下制备成生物炭,并且选取了这两种生物质中的重要组分木质素和纤维素也进行相同的实验。但是为了研究生物炭中持久性自由基的产生机理,木质素和纤维素的结构过于复杂,因此基于木质素和纤维素的结构,选取了一系列具有单一结构的模型化合物。大致分为三类：直链类模型化合物(高密度聚乙烯HDPE,聚乙烯醇PVA); C-O杂环类模型化合物(B-环糊精)；芳香环类模型化合物(聚苯乙烯PS,聚苯醚PPO)来进行原位反应以及制备成不同温度和氛围下的生物炭来进行研究。首先对于这些生物炭进行理化性质、热稳定分析。生物炭及原样的理化性质,热稳定性通过元素分析仪(Elemental analyser),傅立叶红外变换仪(FTIR),差热热重仪测定。本研究首先对实验所选取的物质制备的生物炭的性质进行了研究,利用元素分析仪,傅立叶红外变换仪,差热热重等手段,发现随着热解温度的升高,生物炭中会有更多的芳香性结构的生成,但是对于两种常规的生物质(水稻秸秆、红松木屑)来说,由于本身含有的无机矿物和有机质的相互作用保护了有机质,而模型化合物都是结构明确的单一成分,这就使得这两种生物质的炭化程度比模型化合物的较低。并且在氧气条件下制备的生物炭的炭化率比在相同温度下氮气条件下制备的生物炭的炭化率高,这是因为随着温度的升高,样品的燃烧或者氧化已经比较剧烈,此时通入氧气会使得燃烧程度更为剧烈,从而使得样品出现相关的质量损失,并且一旦样品中的燃料烧尽,样品的质量和灰分也就保持一定了。本研究还利用电子顺磁测了实验中所制备的生物炭中的自由基的EPR信号图,结果表明随着温度的升高,生物炭中自由基的含量明显呈上升趋势；并且还是在氧气条件下制备的生物炭中的自由基含量比在氮气条件下制备的生物炭中的自由基含量高；说明温度和生物炭制备的氛围都是影响生物炭中自由基含量的重要因素。归纳三类模型化合物的生物炭中的自由基含量,得出：直链类结构物质的生物炭中自由基含量≥杂环类结构物质的生物炭中自由基含量苯环类结构物；另外对于同样含有芳香环的PS和PPO, PS的生物炭中自由基含量PPO的生物炭中自由基含量,由于苯环位置的不同,接着做了对这两种物质生物炭的水洗实验,得出：PS的生物炭中自由基含量的下降率PPO的生物炭中自由基含量的下降率,因此得出的结论是苯环在主链上的PPO的生物炭中产生的自由基含量虽然少但是较为稳定,苯环在侧链的PS的生物炭中产生的自由基含量多但是不稳定,容易洗掉。另外因为选取的实验样品的分子量是不相同的,而且实验中分子量大的生物炭中的自由基有可能产生的少,而分子量小的生物炭中的自由基含量高,这就说明生物炭中自由基的产生与原材料的分子量大小是没有关系的。本论文还利用电子顺磁对所选择样品进行了原位反应实验,结果表明温度、氛围和结构对于生物质热解过程中产生的影响与制备成生物炭中的情况一致。总而言之,生物炭中自由基的产生不仅与制备生物炭时的温度和氛围有关,更重要的是与生物炭的结构息息相关。而且生物炭中的自由基的类型更是与结构密切相关。实验证明不同结构的模型化合物产生的自由基的含量和类型都是存在差异的。但是由于生物炭在制备的过程中出现的自由基对于环境的影响是重大的也是比较复杂的,因此对于生物炭中自由基的环境效应还需要更为深入的研究。
[Abstract]:Environmental persistence free radical ( EPFRs ) is a kind of pollutant , and the persistent free radical of environment is a relatively traditional short - life free radical .
In this paper , the properties of the biochar prepared by experiments were studied . The results showed that the biomass and the ash content of the biochar prepared in the experiment were higher than those of the model compounds .
and the free radical content in the biochar prepared under the oxygen condition is higher than the free radical content of the biochar prepared under the nitrogen condition ;
The content of free radicals in the biochar of three kinds of model compounds was summarized .
In addition , the free radical content in the biochar of PS and PPO , PS , which also contains aromatic rings , is not related to the temperature and atmosphere of the raw materials . The results show that the free radicals generated in the biochar of PS are not only related to the temperature and the atmosphere in the biological carbon .
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X592

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