混合酸（HCl-HNO_3）作用下玉米秸秆低温热水解的研究

【摘要】：秸秆工业化制沼气是有效利用玉米秸秆等生物质资源,缓解能源危机,避免环境问题有效且现实的途径。目前秸秆制沼气过程中存在发酵效率低、成本高等难题,高效合理的预处理技术是解决这两个难题的关键。本研究通过HCl、H_2SO_4及HNO_3对玉米秸秆进行预处理,探索混合酸作用下玉米秸秆低温热水解反应的特征,并通过理论解析优化工艺条件,寻求一种适用于秸秆工业化制沼气过程中的新型预处理方法。 通过三种酸HCl、H_2SO_4、HNO_3单独对玉米秸秆低温热水解规律的研究,得到三种酸HCl、H_2SO_4、HNO_3对玉米秸秆低温热水解的影响程度从高到低依次是:HNO_3、H_2SO_4、HCl。120℃下,当酸浓度为1%,反应时间60 min时,HNO_3、H_2SO_4、HCl对玉米秸秆纤维素的水解率分别为60.5%、60.0%、58.8%;其对半纤维素的水解率分别为83.6%、82.5%、74.2%。同时发现,120℃下盐酸和硫酸单独对玉米秸秆热水解时,水解液中木糖和阿拉伯糖的含量均随着酸浓度和反应时间的增加而降低;而硝酸单独对玉米秸秆热水解时,水解液中木糖和阿拉伯糖含量均随硝酸浓度的增加而增加,延长反应时间有利于水解液中木糖含量的增大,但却导致阿拉伯糖含量的降低。 通过实验分析选用HCl与HNO_3作为混合酸对玉米秸秆进行低温热水解,结果得出当酸质量分数相同时,HCl与HNO_3混合酸作用下玉米秸秆的热水解效果明显优于单酸。当温度120℃,总酸浓度为1%且HCl:HNO_3为3:1,反应60 min时,半纤维素的水解率为95.0%;而单独1%浓度的HNO_3半纤维素的水解率为83.6%;单独1%浓度的HCl半纤维素的水解率为74.2%。通过对混合酸与单酸作用下玉米秸秆热水解前后微观形态及结晶度的分析,验证了混合酸作用下的预处理方式要优于单酸的作用方式。通过采用响应曲面法的理论分析,得出HCl与HNO_3混合酸作用下玉米秸秆热水解工艺的最佳条件:温度120℃,HCl:HNO_3比3.02,反应时间为92.1 min,木糖和阿拉伯糖产量分别为18.0 g/100gDM、3.4 g/100gDM. 【关键词】：玉米秸秆 HNO3 HCl 热水解 混合酸 响应曲面法
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ353.6
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-26
• 1.1 生物质和生物质能9
• 1.2 木质纤维素类生物质的化学组成及结构9-14
• 1.2.1 纤维素11-12
• 1.2.2 半纤维素12-13
• 1.2.3 木质素13-14
• 1.3 木质纤维素类生物质的开发与利用14-19
• 1.3.1 木质纤维素类生物质的资源概况14-15
• 1.3.2 木质纤维素类生物质的资源化现状15-19
• 1.3.3 木质纤维素类生物质转化利用的关键技术问题19
• 1.4 生物质预处理技术研究进展19-24
• 1.4.1 酸预处理20-21
• 1.4.2 碱预处理21-22
• 1.4.3 蒸汽爆破预处理22-23
• 1.4.4 湿式氧化预处理23
• 1.4.5 生物处理法23-24
• 1.5 研究意义和内容24-26
• 第二章 实验材料与方法26-30
• 2.1 实验材料和设备26-27
• 2.1.1 实验原料26
• 2.1.2 实验试剂及设备26-27
• 2.2 实验方法27-28
• 2.2.1 原料组成分析27
• 2.2.2 热水解方法27-28
• 2.3 分析项目28-30
• 2.3.1 HPLC 分析28-29
• 2.3.2 场发射透射电子显微镜分析29
• 2.3.3 X-射线衍射（XRD）分析29-30
• 第三章 单酸作用下玉米秸秆的热水解效果30-45
• 3.1 玉米秸秆的化学组分30-31
• 3.2 盐酸作用下玉米秸秆的热水解效果31-34
• 3.2.1 盐酸浓度和反应时间对半纤维素水解效果的影响31-34
• 3.2.2 盐酸浓度和反应时间对纤维素水解的影响34
• 3.3 硫酸作用下玉米秸秆的热水解效果34-38
• 3.3.1 硫酸浓度和反应时间对半纤维素水解的影响34-37
• 3.3.2 硫酸浓度和反应时间对纤维素水解的影响37-38
• 3.4 硝酸作用下玉米秸秆的热水解效果38-41
• 3.4.1 硝酸浓度和反应时间对半纤维素水解的影响38-40
• 3.4.2 硝酸浓度和反应时间对纤维素水解的影响40-41
• 3.5 玉米秸秆水解前后的微观结构41-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第四章 低温HCl-HNO_3混合酸作用下玉米秸秆的热水解效果45-68
• 4.1 玉米秸秆的化学组分45-46
• 4.2 低温混合酸作用下玉米秸秆半纤维素的水解效果46-53
• 4.2.1 120℃时半纤维素的水解效果46-48
• 4.2.2 90℃时半纤维素的水解效果48-50
• 4.2.3 低温混合酸作用下玉米秸秆水解前后的微观结构50-51
• 4.2.4 XRD 分析51-53
• 4.3 低温混合酸作用下玉米秸秆热水解条件的优化53-67
• 4.3.1 120℃响应曲面法优化54-61
• 4.3.2 90℃响应曲面法优化61-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 结论和建议68-70
• 5.1 结论68-69
• 5.2 建议69-70
• 参考文献70-78
• 发表论文和科研情况说明78-79
• 致谢79

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