醇水混合溶剂对木质纤维素超低酸水解的影响及其水解动力学研究

摘要

随着人类社会的进步发展,石化能源日益紧缺,长期使用石化能源将给社会、经济带来不可持续的发展,而新能源中水能、核能、太阳能、风能的发展又有其局限性。在未来的发展新经济能源中,生物能源将起主导作用。我国自古以来是一个农业大国,有着广泛的生物质资源,利用生物质制备燃料乙醇具有巨大的潜在发展空间。生物质制备燃料乙醇最关键的环节是将纤维素水解成可发酵糖,本文利用醇-水混合溶剂对棉花秸秆进行水解,为还原糖浓度的提高提供可行性,为木质纤维素水解过程的进一步研究提供基础数据。
　　本文首先对间歇操作条件下醇-水混合溶剂水解木质纤维素的工艺条件进行研究。采用自制的间歇反应器,将粉末状的棉花秸秆进行水解,水解液用DNS法检测其可还原糖的含量,用GC—MS定性分析还原糖降解产物,固体残渣通过扫描电镜分析、红外光谱分析及物料组分分析,进行从外观形貌和物质微观变化的分析研究。对醇-水混合溶剂体积比、醇种类(碳链长度和羟基数量)、反应温度、反应时间、硫酸浓度进行考察。研究结果表明,在相同的温度、时间条件下,乙醇的加入有利于提高生物质转化率,抑制还原糖的降解,但过高体积比的乙醇反而会降低还原糖的生成速率,起到不利的作用;碳链长度越长,羟基数量越多,对反应越有利,异丙醇和乙二醇混合溶剂水解得到的生物质转化率和还原糖浓度高与乙醇-水混合溶剂;温度为190℃、压力为1.5MPa、乙醇-水混合溶剂体积比为30％时,生物质转化率和还原糖浓度分别为46.23%和11.77g/L,而相同条件下纯水溶剂的生物质转化率和还原糖浓度为41.97%和8.68g/L。其次,通过扫描电镜对棉花秸秆在不同乙醇体积比水解后的固体残渣分析发现,乙醇体积比为30%时,秸秆形貌破坏最为严重;红外光谱分析发现,水解后的固体结晶度值较原料要低,乙醇的加入明显降低了结晶度值;组分分析发现,水解后的固体中纤维素和半纤维素的含量明显降低;三种分析方法的结果一致。GC—MS测出了纯水溶剂水解时,生成了部分有机酸,而混合溶剂的水解液中有机酸消失酯类出现。最后,通过对木质纤维素间歇水解过程的分析,构建出集总动力学模型,并求出部分温度动力学参数,但在拟合反应常数时,其拟合曲线和实验值的吻合性不是很好,表明本文所做的假设和模型存在一定的缺陷,还不能完全反映水解的过程,需进一步完善模型。

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引言

第一章 文献综述

1.1 可再生能源概述

1.2生物质能源概述

1.3 生物质水解制取燃料乙醇

1.4 木质纤维素水解的动力学

1.5 本文的研究目的与内容

第二章 实验装置及分析方法

2.1 仪器与试剂

2.2 间歇水解的实验装置及流程

2.3 水解产物的分离流程及分析方法

第三章 醇-水混合溶剂超低酸水解木质纤维素的研究

3.1 实验方法

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 固体残渣和水解液的分析

4.1原料成分的测定

4.2 固体残渣的结构分析

4.3 水解液的气相色谱-质谱联用仪分析

4.4本章小结

第五章 木质纤维素水解的动力学研究

5.1 集总动力学模型的基本假设

5.2 集总反应网络的建立

5.3 各集总反应速率常数的拟合

5.4本章小结

第六章 结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

硕士期间发表论文

致谢