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浅谈改性废弃生物质工业

2019/10/08 阅读:

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

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