生物质废弃物的水热碳化试验研究

发布时间：2017-04-17 20:03

  本文关键词：生物质废弃物的水热碳化试验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：化石能源的资源有限性和环境污染问题促使人们开始寻找清洁、廉价的可再生能源。生物质废弃物是地球上唯一的、可再生的有机石油的替代品。传统的焚烧处理方式不仅会污染环境,还会浪费能源。水热碳化是一种高效的废弃生物质资源化技术。水热碳化是指将生物质废弃物置于高温(150-350℃)水溶液中停留一段时间,脱水脱羧形成具有明确理化性质的固体产物。本文在高压反应釜上进行水热碳化试验,具体研究内容如下：采用正交试验方案研究了原料组分、反应温度和停留时间对水热碳化的影响。结果表明,对于碳化物产率、能量密度和能量产率而言,三种反应参数的影响性从大到小的排序为：原料组分,反应温度,停留时间。水热碳化反应后,四种反应原料的C元素质量百分数增大幅度从大到小排序为半纤维素,木质素,纤维素和木屑,四种反应原料的H、O元素质量百分数和H/C、O/C原子比减小幅度从大到小排序皆为半纤维素,纤维素,木屑和木质素。SEM分析结果表明,半纤维素水热碳化反应后会形成大量直径为1-10μm的微球结构,纤维素碳化物表面也有微球结构,而木屑只有在适宜的反应工况下才会形成少量微球结构,木质素碳化物的表面则既没有裂纹,也没有小孔。以微晶纤维素为反应原料,考察了反应温度和停留时间对纤维素水热碳化碳分布的影响,并对碳化物的物理化学特性、微观结构进行了研究,以及从反应机理角度进行解释。结果表明,原料中的碳大部分都保留在了碳化物中,占71%-75%,其余部分被转移至液相和气相。随着温度和时间的增大,碳化物的产率降低,热值升高,O/C原子比降低。SEM显示当温度达到220℃时,碳化物表面开始形成微球结构,且随着温度和时间的增大,微球结构均一性、分散度越来越好。FTIR表明碳化物表面生成羟基和羰基等官能团,水热碳化过程中会发生脱水和芳香化反应。分别以微晶纤维素和微晶纤维素+丙烯酸为原料制备了水热碳化物,再用KOH浸渍法进行化学活化,随后又以这四种水热碳化物和活性炭材料为吸附剂,比较了对Cu2+的吸附性能。结果表明,纤维素+丙烯酸碳化物形成的微球结构较纤维素碳化物的粒径变小了,表面变粗糙了。纤维素和纤维素+丙烯酸活性炭表面呈多孔海绵状,微球结构被完全破坏了。FTIR分析结果表明加入丙烯酸可以增加碳化物中羧基等含氧官能团的含量,而化学活化过程又在一定程度上破坏了碳化物表面的官能团。氮气吸脱附等温线结果表明,纤维素和纤维素+丙烯酸碳化物基本没有孔隙结构,纤维素和纤维素+丙烯酸活性炭孔隙结构丰富,且以微孔为主。四种吸附剂的吸附量从大到小排序为纤维素活性炭、纤维素+丙烯酸活性炭、纤维素碳化物、纤维素+丙烯酸碳化物,与氮气吸脱附等温线分析结果相一致。通过本文研究,已初步确定了原料组分、反应温度和停留时间对水热碳化的影响。同时,水热碳化物的吸附性能研究也肯定了活化过程对提高其吸附性能的必要性。
【关键词】：水热碳化 碳化物 原料组分 反应温度 停留时间 吸附
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6;X70
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-25
• 1.1 生物质及生物质能概况12-15
• 1.1.1 生物质及生物质能12
• 1.1.2 生物质基本组成12-15
• 1.2 生物质能源转化利用技术15-18
• 1.2.1 直接燃烧15-16
• 1.2.2 生物转化技术16-17
• 1.2.3 生物质热解技术17
• 1.2.4 生物质气化技术17-18
• 1.2.5 生物质液化技术18
• 1.3 水热技术18-24
• 1.3.1 水热气化19
• 1.3.2 水热液化19-20
• 1.3.3 水热碳化20-24
• 1.4 本文研究目的、内容24-25
• 1.4.1 研究目的24
• 1.4.2 研究内容24-25
• 2 实验装置、实验材料及表征方法25-31
• 2.1 实验装置25-27
• 2.1.1 水热碳化反应系统装置25-26
• 2.1.2 活化反应装置系统26-27
• 2.2 实验原料及仪器27-29
• 2.3 表征方法29-31
• 3 原料组分对生物质水热碳化的影响31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 实验31-32
• 3.3 结果与讨论32-41
• 3.3.1 正交试验结果极差分析33-35
• 3.3.2 原料组分对碳化物理化性质的影响35-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 过程参数对纤维素水热碳化的影响42-51
• 4.1 引言42
• 4.2 实验42-43
• 4.3 结果与讨论43-50
• 4.3.1 碳化物的理化特性43-45
• 4.3.2 碳分布45-46
• 4.3.3 扫描电子显微镜(SEM)分析46-47
• 4.3.4 傅里叶红外光谱(FTIR)分析47-48
• 4.3.5 纤维素水热碳化的机理分析48-50
• 4.4 本章小结50-51
• 5 纤维素水热制备功能碳材料及其吸附性能研究51-59
• 5.1 引言51
• 5.2 实验51-53
• 5.2.1 水热碳化实验51-52
• 5.2.2 化学活化实验52
• 5.2.3 静态吸附实验52-53
• 5.3 结果与讨论53-57
• 5.3.1 扫描电子显微镜(SEM)分析53-54
• 5.3.2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析54-55
• 5.3.3 氮气吸脱附等温线分析55-57
• 5.3.4 吸附实验结果分析57
• 5.4 本章小结57-59
• 6 全文总结与展望59-62
• 6.1 全文总结59-60
• 6.2 本文主要创新点60-61
• 6.3 研究展望61-62
• 参考文献62-70
• 作者简介70

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本文编号：314189