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生物质通过水解和发酵制取燃料酒精技术属于生物质能源转化的一个重要方向。生物质水解过程不可避免的会产生工艺废料——水解木质素。水解木质素能量密度较高,其开发利用一方面使废料资源化,另一方面可以提高整个工艺的经济性。本文旨在以水解木质素为原料,以超临界醇溶液为溶剂,进行了水解木质素的降解液化研究。
水解木质素的特性是研究的基础,本文首先对其进行了表征,得到了水解木质素的组成特性、溶解特性、热解特性和红外特性。结果表明水解木质素氧含量较高,溶解性很差,容易炭化,羟基之间存在缔合现象。水解木质素的非催化降解液化研究则得到了33.3﹪的液化油收率。残渣的红外光谱比较表明在非催化液化过程中,存在甲氧基的大量脱落和羟基之间的脱水,同时发现乙醇并不是一种惰性的溶剂。
继而,本文对影响水解木质素催化液化的各项因素进行了详细的考察。结果显示水解木质素在超临界乙醇溶液中能被高效的催化液化。以95﹪乙醇为溶剂,液固比10∶1,氮气气氛下,氢氧化钠催化剂0.06g/mlsolvent,在285℃下反应10min,油分A的收率可达48﹪,油分B的收率为22.5﹪,油分的总收率达70.5﹪,转化率达91.5﹪,油分的碳基收率和水解木质素的碳基转化率分别为94.96﹪和93.53﹪,而以木材为原料时,油分收率同样能高达71.2﹪。结果表明硫化钠/氢氧化钠复合催化剂的效果并不比氢氧化钠单一催化的效果好,氢气的参与并不能进行有效的加氢,而压力的增加则有助于水解木质素的液化,无水乙醇溶剂的效果则要优于含水乙醇溶液。
研究的第三部分为水解木质素液化降解的机理研究。作者发现水解木质素在超临界乙醇溶液中的间歇催化液化并不是简单的多相反应,而是包括升温过程中基于离子型反应的水解木质素的快速降解和超临界溶剂中基于自由基反应的成油过程。乙醇的优良的溶剂性能,如表面张力、溶解性等能促进水解木质素在升温过程中的降解,从而使水解木质素的液化能顺利进行,而乙醇在超临界状态下的自由基反应环境则使成油过程能顺利实现。和非催化液化过程一样,在催化液化过程中,乙醇不是惰性溶剂,而是参与了反应。
最后,本文研究了油分的热稳定性和燃烧特性。结果表明无论油分A还是油分B在氮气氛中均可挥发继而完全分解,在空气氛中则能挥发并继而完全燃烧。通过动力学数据的回归,得到了油分A和油分B氮气氛中的失重机理函数和空气氛中的燃烧机理函数。