稀硝酸作用下玉米秸秆热水解及水解液生物酸化的研究

发布时间：2020-07-18 03:29

【摘要】：将秸秆经过预处理以工业规模制取沼气，可以实现秸秆清洁高效的利用。然而，目前秸秆制沼气过程中面临预处理成本高、且预处理的催化剂大都会影响后续的厌氧发酵等关键难题。本研究就是从全工艺角度出发，探索对后续发酵无影响且低成本的预处理方法。重点解析了稀硝酸作用下玉米秸秆热水解反应的规律，并通过理论解析与实验相结合比较了硫酸和硝酸对秸秆的水解效果，最后探讨了稀酸作用下所得水解液的生物酸化特性，为实现秸秆规模化制沼气开辟了新的思路。研究了玉米秸秆水解过程中氢离子浓度的变化，得出H~+参与了水解反应，且在玉米秸秆的水解过程中起决定作用。通过比较等氢离子摩尔浓度的硝酸和硫酸对玉米秸秆的水解效果，得出硝酸中的氢离子比硫酸中的氢离子更加活跃，断裂糖苷键的能力更强，说明硝酸水解玉米秸秆更具有优势。研究硝酸作用下玉米秸秆热水解的规律，结果表明增加硝酸浓度、反应温度和时间均对玉米秸秆的水解具有促进作用，其中硝酸浓度的影响最为显著。在本实验研究范围内，最佳的热水解条件为反应温度150℃，硝酸浓度0.6%，反应时间2min。所得水解液中葡萄糖得率为12.2%，木糖得率为96.9%，阿拉伯糖得率为98.5%，乙酸浓度为3.11g·L~(-1)，糠醛浓度为0.43g·L~(-1)。通过对高温条件下半纤维素的水解动力学的研究，得出在本实验范围内，由Saeman模型计算得到的产物浓度与实验值吻合较好。应用阿伦尼乌斯公式对水解产物的反应活化能进行计算与比较，其大小次序为：糠醛木糖阿拉伯糖乙酸。研究了几种水解液的生物酸化特性。结果表明，水解液的酸化速率比玉米秸秆的快。水解液的产酸量主要取决于水解液中单糖含量。在本实验范围内，150℃，0.6%硝酸，2min条件下得到的水解液产生的总挥发酸（VFAs）量最大，为2513.35mgCOD·L~(-1)。挥发酸分布与投加的物料有关，其中，玉米秸秆酸化发酵的末端产物以乙酸和丙酸为主，丙酸含量一直都较高。硝酸水解液酸化发酵的末端产物以乙酸为主，丙酸含量随着酸化时间的延长而有所降低。硫酸水解液酸化发酵的末端产物以乙酸和丙酸为主，在酸化后期，只有乙酸和丙酸且丙酸含量较高，表现出向丙酸型发酵转化的趋势。因丙酸含量高对后续的产甲烷不利，所以与硫酸水解液相比，硝酸水解液较适合作为酸化发酵液。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703

【参考文献】