秸秆微波催化液化机理及产物表征研究

The polyhydric liquefaction of crop residues will develop a new approach to resolve the energy crisis, environmental pressure and three problems in rural areas. Our study aims on the application of microwave technology in the polyhydric liquefaction of crop residues to shorten the liquefaction time and improve the yield.According to our previous study, microwave assisted polyhydric liquefaction could shorten the liquefaction time and increase the yield as compared to the tradictional liquefaction. In this project, the model compounds（cellulose, hemicellulose and lignin） and crop residues were used as the material to study. To explore the microwave acceleration mechanism of polyhydric sovolysis, we will investigate the macroscopic phenomenological rules and micro reaction kinetics. According to the separation and characterization of the liuqefied products, the liquefaction pathway for cellulose, hemicellulose and lignin under microwave heating will be revealed.The reaction kinetics will also be studied to discover the catalysis mechanism of microwave.The performance of the liquefied products is important for the utilization of liquefaction technology according to the parameter extraction of the products.The project will be benefitial for the high value utilization of crop residues.

秸秆液化利用不仅有利于缓解我国能源、环境压力，而且能为当前高度关注的"三农"问题提供新的解决途径。在前期研究的基础上，本研究分别以模型化合物纤维素、半纤维素和木质素以及秸秆为研究对象，从动态角度由宏观唯象到微观分子水平探索微波加热催化木质纤维质成分液化机理，通过对复杂产物系统的分离与鉴定，解析秸秆三大主要组分纤维素、半纤维素、木质素在微波加热条件下的降解途径，利用宏观动力学揭示微波液化秸秆的催化机理，并对液化产物进行解析和表征，旨在提取影响液化产物应用的关键特征参数，为液化产物应用提供理论支持。研究工作对于系统掌握秸秆微波液化的机理具有重要科学意义，对于促进秸秆高效利用具有实际应用价值。

秸秆液化利用不仅有利于缓解我国能源、环境压力，而且能为当前高度关注的“三农”问题提供新的解决途径。.本项目对液化产物进行定性及定量分析，探讨模型化合物及秸秆液化过程中的主要产物组成及含量变化，从分子层面解析秸秆液化过程中的降解规律；利用GC-MS/HPLC等分析方法，探讨模型化合物液化过程中的产物组成变化，发现纤维素的液化产物主要是乙酰丙酸酯及液化剂乙二醇的衍生物。半纤维素的液化产物中也发现液化剂乙二醇的衍生物及乙酸糠酯。木质素微波液化产物主要是芳香类类物质包括对二甲苯和间二甲苯及液化剂乙二醇的缩合产物。通过对玉米秸液化产物分析，发现液化产物中主要包含乙二醇及其衍生物，还有甲酯类物质，包括3-(1，3-二氧戊环-2-基)丙酸甲酯、乙酰丙酸异丙酯，以及月桂酸甲酯和棕榈酸甲酯。可见液化过程中实现了主要木质纤维组分的降解及酯化反应，同时伴随液化剂在加热条件下的缩合反应。.通过对不同种类秸秆液化特性及组成变化、微观结构分析，揭示秸秆液化的微观机制。对不同种类秸秆原料液化产物的主要组成成分进行定量分析，发现稻草的液化得率较其他几种原料均要低，玉米芯的液化速度最快。在秸秆原料液化过程中半纤维素最容易被液化，而纤维素在液化过程中出现含量先增加后减小的趋势，说明纤维素由于结晶结构的存在，不利于液化的快速进行。对液化残渣进行结晶形态进行分析表明微波液化残渣的结晶度较对照低，说明微波液化非常充分。对微波催化反应的动力学进行系统研究，结合化学反应动力学方程和数学处理方法得到反应时间和液化率的关系，实验结果显示玉米秸液化符合一级动力学反应，活化能( Ea )为22.6kJ /mol，指前因子12.98×105/s；微波液化活化能低于常规液化反应活化能，从化学动力学角度揭示微波加热主要通过降低反应活化来催化液化反应的机理。.利用溶剂萃取法对液化产物进行分离和分析，发现相较于正己烷和乙醚，萃取剂氯仿和乙酸乙酯可以有效分离微波液化产物中的乙酰丙酸异丙酯，乙酸乙酯逐一萃取可得到浓度为43.65%乙酰丙酸异丙酯。通过对秸秆液化产物进行灰分、元素、热值、热重及粘度分析表征，发现微波液化产物虽然具有理想的高位热值（18.00 MJ/Kg），但硫含量较高，相对于国家标准SH/T0356-1996中关于燃油标准来说，灰分含量和粘度偏大，不适宜直接作为燃料。