高含水生物质微波水热碳化机理与产物品质协同调控研究

The high costs in coverting the biomass with high water content into useful resources and the limits in the treatment process greatly hinder the reuse of the substance. In this work, the microwave field is introduced to the hydrothermal carbonization process. A new method is proposed to efficiently transform and utilize the microwave hydrothermal carbonization of the biomass with high water content. The aim is to recycle the liquid phase products and obtain the highly useful carbon nanomaterial. Based on this idea, we perform experimental research, theoretical research and simulations. We also comprehensively investigate the microwave hydrothermal carbonization process, covering the property of the material, conditions for reaction, transfer of the inorganic minerals, behavior of the physicomechanical properties of the carbon nanomaterial under different conditions and recycling of liquid phase products. Innovations are carried out in the mechanism for coupling and transforming carbon nanomaterial and liquid phase products. The work is expected to provide insights into the principles and utilization of microwave hydrothermal carbonization. Therefore, it is worthwhile to conduct this research and the achievements can be used in practice.

在生物质资源化处理过程中,高含水生物质所带来的高额操作成本以及处理工艺的复杂程度,成为限制其发展的重要性因素。本项目将微波场加入水热碳化过程中，为实现高含水生物质的高效转化与产品高值化利用，提出了高含水生物质微波辅助水热碳化转化利用，在循环利用液相产物同时得到具有较高利用价值的碳基纳米材料的新思路。基于此思路，本项目采用实验研究、理论分析与模拟相结合，从原料特性、反应条件、无机矿物质迁移、不同条件下碳基纳米材料物理化学特性演变规律、液相产物循环利用等方面对微波水热碳化过程进行全面系统深入的研究，在碳基纳米材料和液相产物的耦合机制及转化途径的研究方面具有创新。预期成果可为微波水热碳化机理的揭示以及该技术的开发提供必要的基础和科学依据，具有重要的研究意义和应用价值。

本项目以高含水生物质为原料，进行了生物质-碳基纳米材料的制备，从原料特性、反应条件、无机矿物质迁移、不同条件下碳基纳米材料物理化学特性演变规律、液相产物循环利用等方面对微波水热碳化过程进行全面系统深入的研究。1）通过对生物质的三个主要模型组分（纤维素、半纤维素和木质素）合成生物质的水热试验，研究各组份对水热产物的分布特性的影响，发现三组分间存在明显的相互作用，为全面理解三组分对牛粪水热特性的影响打下了基础。2）研究了牛粪水热炭化，采用了水热和微波辅助水热两种方式，经过分离得到牛粪水热解三相产物（固体、液体、气体）。水热和微波辅助水热的产率最佳温度都是200℃，微波加热中的产率最佳停留时间为1h。通过傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪、凝胶渗透色谱、气相色谱-质谱联用仪等分析了固体焦炭和液相的理化特性，利用场发射扫描电镜和透射电镜观察分析了固体焦炭的微观表面形貌和结构形态，得出水热和微波辅助水热制备微球生成的最佳温度都为240℃，微波加热中微球生成的最佳停留时间为14h，在微球生成方面，通过不同温度下焦炭的SEM图，在220℃，水热法制备牛粪焦炭成片层状结构，仅有少量的微球生成，微波加热焦炭表面只有单颗粒的微球生成，差别不是很明显。在240℃，水热法焦炭的片层状结构逐渐消失，有微球的雏形生成，数量较低温段多，微波加热已经有大量的微球生成，区别非常明显。在260℃，水热法制备几乎没有微球的生成，主要呈现块状结构微波加热焦炭表面除了有碳微球的生成外，还有絮状物质生成，表明微波对于牛粪焦炭的分解作用较好，微波加热方式有助于在焦炭表面形成发达的孔结构。