浅谈改性废弃生物质工业范文

关键词：玉米秸秆；葵花籽皮；改性；工业分析

生物质能源是仅次于煤、石油、天然气等化石能源的第四大能源［1］，是一种可替代化石能源的可再生碳资源［2］，具有分布广、二氧化碳零排放等优点。生物质中富含大量的纤维素、木质素，在一定条件下可以被软化作为粘结粉煤的廉价粘结剂，这一应用已引起研究者的极大兴趣［3－5］。在环保愈发重要、一次能源日益紧缺的今天，以废弃生物质为原料制备生物质燃料，不仅能有效改善原煤燃烧带来的环境污染，还能将废弃生物质资源化和能源化利用［6－7］。作者采用不同浓度NaOH溶液改性废弃玉米秸秆和葵花籽皮，将其作为粉煤成型的粘结剂制备生物质型煤，并参照国标GB／T212－2008对改性玉米秸秆和改性葵花籽皮进行水分、灰分、挥发分和固定碳等工业分析。试图从根本上改变农作物秸秆不易储存、不易运输和能量密度低等缺点，实现生物质从废弃物到能源的转换，为生物质粘结性及粘结机理的进一步研究提供理论依据。

1实验

1．1材料

玉米秸秆，取自榆林市周边农村；葵花籽皮，取自榆林市周边葵花籽油加工厂。均清洗干净，自然干燥后粉碎至3mm以下，储于广口瓶中，密封，备用。

1．2改性玉米秸秆和改性葵花籽皮的制备

分别配制浓度为1．5％、2．0％、2．5％的NaOH溶液置于锥形瓶中，加入5％（质量分数，下同）的玉米秸秆粉末，加热至80℃水解反应2h，得到不同浓度NaOH改性玉米秸秆粘结剂。分别配制浓度为1．5％、2．0％、2．5％、3．5％、5．0％的NaOH溶液置于锥形瓶中，加入5％的葵花籽皮粉末，加热至80℃水解反应2h，得到不同浓度NaOH改性葵花籽皮粘结剂。用砂芯漏斗过滤上述粘结剂，固相部分用蒸馏水清洗残留NaOH，置于空气干燥箱中干燥至恒重，进行工业分析。

1．3工业分析

参照GB／T212－2008对改性玉米秸秆和改性葵花籽皮进行工业分析。采用通氮干燥法测定空气干燥基样品水分含量Mad；采用缓慢灰化法测定空气干燥基样品灰分含量Aad，并换算为干燥基样品灰分含量Ad；采用高温快速热解法测定空气干燥基样品挥发分含量Vad，并换算为干燥无灰基挥发分含量Vdaf；最后计算出干燥无灰基固定碳含量FCdaf。

2结果与讨论

2．1水分分析

不同浓度NaOH改性的玉米秸秆和葵花籽皮的水分含量如图1所示。由图1a可知，随着NaOH浓度的增加，改性玉米秸秆的水分含量先上升后下降；2．0％NaOH改性玉米秸秆的水分含量最高，为5．85％；未改性玉米秸秆的水分含量最低，为5．32％。由图1b可知，相比改性玉米秸秆，改性葵花籽皮的水分含量偏低，基本保持在3．0％左右，说明玉米秸秆较葵花籽皮更易于改性。随着NaOH浓度的增加，改性葵花籽皮的水分含量先上升后下降；2．5％NaOH改性葵花籽皮的水分含量最高，为3．86％。分析认为，未改性的生物质结构致密，孔隙少，比表面积小，结合或容纳的水分子少；随着NaOH浓度的增加，生物质的改性或降解作用增强，当NaOH浓度为2．0％～2．5％时，在不破坏生物质原有结构的情况下，可最大限度地将可溶物溶出；改性生物质的孔隙多，比表面积大，可容纳较多的游离水；而且生物质被NaOH水解后，裸露出许多活性基团，可与水分子结合形成氢键，成为结合水；但NaOH浓度过高时，生物质原本的框架结构遭强碱破坏，吸附性能下降。

2．2灰分分析

不同浓度NaOH改性的玉米秸秆和葵花籽皮的灰分含量如图2所示。由图2a可知，2．0％NaOH改性玉米秸秆的灰分含量最低，为2．94％；2．5％NaOH改性玉米秸秆的灰分含量最高，为6．23％。可知，NaOH浓度较高时，改性玉米秸秆的灰分含量也较高。由图2b可知，随着NaOH浓度的增加，改性葵花籽皮的灰分含量先下降后上升；2．5％NaOH改性葵花籽皮的灰分含量最低，为1．58％；5．0％NaOH改性葵花籽皮的灰分含量最高，为3．25％。分析认为，改性生物质中灰分含量主要与改性生物质的结构有关。在改性生物质的结构保持完整的情况下，矿物质与煤有机质之间的作用力在碱性溶剂作用下变得松动，有利于降低灰分含量，导致所制备的生物质型煤灰分含量同样偏低，发热量增加，提高了其商业价值和使用价值。而当NaOH浓度较高时，改性生物质结构严重破坏，大量有机物被溶解，矿物质与有机质新生基团重新紧密结合，不被溶出而累积。灰分含量低的粘结剂适宜作为粉煤成型粘结剂，可见，以2．0％NaOH改性玉米秸秆或2．5％NaOH改性葵花籽皮作为粘结剂制备型煤，性能更优越。

2．3挥发分分析

不同浓度NaOH改性的玉米秸秆和葵花籽皮的挥发分含量如图3所示。由图3a可知，改性玉米秸秆的挥发分含量较未改性玉米秸秆低，主要是因为NaOH将玉米秸秆中可溶解小分子组分溶出所致。随着NaOH浓度的增加，改性玉米秸秆的挥发分含量先上升后下降，2．0％NaOH改性玉米秸秆的挥发分含量最高，为87．00％。这是因为，当NaOH浓度较低时，对玉米秸秆的改性不够充分，孔小且少，不利于挥发分析出；当NaOH浓度较高时，生物质结构遭到一定程度的破坏，较多的有机质分子溶于NaOH中，原有结构变为不溶的大分子网络结构，热解中可析出的侧链和官能团等小分子减少，故挥发分含量降低。由图3b可知，改性葵花籽皮的挥发分含量较未改性葵花籽皮低。随着NaOH浓度的增加，改性葵花籽皮的挥发分含量先上升后下降，2．5％NaOH改性葵花籽皮的挥发分含量最高，为80．94％。这是因为，NaOH浓度为2．5％时，改性葵花籽皮的孔隙结构最发达，为热解过程中挥发分充分析出提供了通道，故其挥发分含量较高；而NaOH浓度为2．0％时，改性玉米秸秆的挥发分含量最高（87．00％）。说明葵花籽皮较玉米秸秆的结构更加致密稳定，宜采用较高浓度的NaOH改性。挥发分含量高的粘结剂适宜作为粉煤成型粘结剂，可见，以2．0％NaOH改性玉米秸秆或2．5％NaOH改性葵花籽皮作为粘结剂制备型煤，性能更优越。

2．4固定碳分析

煤中挥发分析出后以固体形式残留下来的有机质大分子称为固定碳［8－9］，析出的挥发分越多，残留下来的固定碳越少。不同浓度NaOH改性的玉米秸秆和葵花籽皮的固定碳含量如图4所示。由图4a可知，改性玉米秸秆的固定碳含量保持在14％左右，其中2．0％NaOH改性玉米秸秆的固定碳含量最低，为13．00％。由图4b可知，改性葵花籽皮的固定碳含量较未改性葵花籽皮高，保持在20％左右，其中2．5％NaOH改性葵花籽皮的固定碳含量最低，为19．06％。

3结论

采用废弃玉米秸秆和葵花籽皮为原料，经不同浓度NaOH溶液改性，得到改性玉米秸秆和改性葵花籽皮，并参照国标GB／T212－2008对改性玉米秸秆和改性葵花籽皮进行水分、灰分、挥发分和固定碳等工业分析。结果表明：葵花籽皮结构较玉米秸秆更稳定，若要达到粘结粉煤同等效果，改性葵花籽皮所需NaOH浓度较改性玉米秸秆高。改性玉米秸秆的水分含量较改性葵花籽皮整体偏高。2．0％NaOH改性玉米秸秆与2．5％NaOH改性葵花籽皮灰分含量最低，分别为2．94％和1．58％；其挥发分含量最高，分别为87．00％和80．94％；其固定碳含量最低，分别为13．00％和19．06％。2．0％NaOH改性玉米秸秆与2．5％NaOH改性葵花籽皮作为粉煤成型的粘结剂较为适宜。

参考文献：

［1］郑晨，袁宝刚，佟伯峰．煤与生物质的热解特性及动力学研究［J］．化工科技，2015，23（4）：41－47．

［2］蒋剑春．生物质能源转化技术与应用（Ⅰ）［J］．生物质化学工程，2007，41（3）：59－65．

［3］坚一明，李显，钟梅，等．生物质型煤技术进展［J］．现代化工，2018，38（7）：48－52．

［4］肖雷．基于褐煤的生物质型煤成型机理及其特性研究［D］．徐州：中国矿业大学，2011．

［5］程芳琴，李莹英，路广军，等．改性生物质作为型煤黏结剂的研究［J］．煤化工，2008，36（5）：25－29．

［8］张双全．煤化学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2003：64－65．

［9］何轩明．煤化学［M］．北京：冶金工业出版社，2012：43－44．

作者：陈娟 闫涛 刘元 马向荣 单位：榆林学院化学与化工学院