生物質(zhì)廢棄物的水熱碳化試驗研究.pdf

1、化石能源的資源有限性和環(huán)境污染問題促使人們開始尋找清潔、廉價的可再生能源。生物質(zhì)廢棄物是地球上唯一的、可再生的有機石油的替代品。傳統(tǒng)的焚燒處理方式不僅會污染環(huán)境，還會浪費能源。水熱碳化是一種高效的廢棄生物質(zhì)資源化技術(shù)。水熱碳化是指將生物質(zhì)廢棄物置于高溫（150-350℃）水溶液中停留一段時間，脫水脫羧形成具有明確理化性質(zhì)的固體產(chǎn)物。本文在高壓反應(yīng)釜上進行水熱碳化試驗，具體研究內(nèi)容如下：
　　采用正交試驗方案研究了原料組分、反應(yīng)溫度

2、和停留時間對水熱碳化的影響。結(jié)果表明，對于碳化物產(chǎn)率、能量密度和能量產(chǎn)率而言，三種反應(yīng)參數(shù)的影響性從大到小的排序為：原料組分，反應(yīng)溫度，停留時間。水熱碳化反應(yīng)后，四種反應(yīng)原料的 C元素質(zhì)量百分數(shù)增大幅度從大到小排序為半纖維素，木質(zhì)素，纖維素和木屑，四種反應(yīng)原料的H、O元素質(zhì)量百分數(shù)和H/C、O/C原子比減小幅度從大到小排序皆為半纖維素，纖維素，木屑和木質(zhì)素。SEM分析結(jié)果表明，半纖維素水熱碳化反應(yīng)后會形成大量直徑為1-10μm的微球結(jié)構(gòu)

3、，纖維素碳化物表面也有微球結(jié)構(gòu)，而木屑只有在適宜的反應(yīng)工況下才會形成少量微球結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素碳化物的表面則既沒有裂紋，也沒有小孔。
　　以微晶纖維素為反應(yīng)原料，考察了反應(yīng)溫度和停留時間對纖維素水熱碳化碳分布的影響，并對碳化物的物理化學特性、微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，以及從反應(yīng)機理角度進行解釋。結(jié)果表明，原料中的碳大部分都保留在了碳化物中，占71％-75%，其余部分被轉(zhuǎn)移至液相和氣相。隨著溫度和時間的增大，碳化物的產(chǎn)率降低，熱值升高，O/C原

4、子比降低。SEM顯示當溫度達到220℃時，碳化物表面開始形成微球結(jié)構(gòu)，且隨著溫度和時間的增大，微球結(jié)構(gòu)均一性、分散度越來越好。FTIR表明碳化物表面生成羥基和羰基等官能團，水熱碳化過程中會發(fā)生脫水和芳香化反應(yīng)。
　　分別以微晶纖維素和微晶纖維素+丙烯酸為原料制備了水熱碳化物，再用KOH浸漬法進行化學活化，隨后又以這四種水熱碳化物和活性炭材料為吸附劑，比較了對Cu2+的吸附性能。結(jié)果表明，纖維素+丙烯酸碳化物形成的微球結(jié)構(gòu)較纖維素碳

5、化物的粒徑變小了，表面變粗糙了。纖維素和纖維素+丙烯酸活性炭表面呈多孔海綿狀，微球結(jié)構(gòu)被完全破壞了。FTIR分析結(jié)果表明加入丙烯酸可以增加碳化物中羧基等含氧官能團的含量，而化學活化過程又在一定程度上破壞了碳化物表面的官能團。氮氣吸脫附等溫線結(jié)果表明，纖維素和纖維素+丙烯酸碳化物基本沒有孔隙結(jié)構(gòu)，纖維素和纖維素+丙烯酸活性炭孔隙結(jié)構(gòu)豐富，且以微孔為主。四種吸附劑的吸附量從大到小排序為纖維素活性炭、纖維素+丙烯酸活性炭、纖維素碳化物、纖維素