澳洲辐射松碱预处理及结构分形模型构建

发布时间：2020-05-10 23:26

【摘要】：新世纪以来,能源安全和环境问题日趋严峻,现已成为制约可持续发展的焦点问题。生物质能源因其可再生性成为化石燃料的理想替代品。其中,木质纤维素转化燃料乙醇是生物质能源转化的主要方向之一,为了提高酶解糖化效率,对木质纤维素进行预处理很有必要。本文以澳洲辐射松为原料,磨粉后进行NaOH碱性预处理,分析预处理前后试样的化学组分,分别采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、核磁共振磷谱(~(31)P-NMR)、热重分析(TGA)等技术手段对试样的微观结构、功能结构及热学性能进行分析表征。采用两种方法计算试样的分形维数:结合孔结构分析结果,基于FHH模型计算不同条件下松木的分形维数;基于SEM图像,采用Matlab编程软件进行图像处理,利用计盒维数法计算不同试样的分形维数。基于上述结果,探讨预处理前后辐射松试样的分维值与化学组分及结构特性参数的变化规律,将木质纤维素的结构与分形维数相联系,最终构建结构分形模型。木粉经NaOH碱预处理后,半纤维素及总木素含量明显下降,在本研究的实验条件范围内,半纤维素含量最高降低19.66%,木素脱除率最高23.96%。XRD结果显示,随着预处理温度的升高,试样的相对结晶度最高(由原料的38.89%增加到57.73%),这主要由预处理过程中大量非结晶区组分(半纤维素和木质素)被破坏脱除。FTIR结果显示,碱处理后在不同波数处的特征吸收峰均有不同程度的增强和减弱,部分官能团如羟基、酯键等均发生断裂,松木结构受到一定程度的破坏,脱除了一部分木质素及其它无定形组分。定量~(31)P-NMR结果显示,预处理后试样的各类酚羟基含量均有不同程度的增加。预处理前后试样的TG-DTG结果显示,预处理后试样在整个热解过程中的失重率总是低于原料松木粉的失重率。其他预处理条件相同时,温度由140°C升高至170°C,预处理后木粉的BET比表面积随温度的升高而增大。预处理后大孔比例减少,介孔和小孔比例增加,且大孔比例随温度的升高而逐渐增加,介孔和小孔比例则呈下降趋势。碱预处理后,辐射松木粉的分形维数增加,且在本研究所用温度范围内,分形维数随温度的升高基本呈现增加趋势。比较分维的两种不同计算方法,发现FHH分维与数字图像法分维呈现相似的变化规律,不同之处在于,FHH分维反映三维分形特征,介于2~3之间,计盒维数法反映图像的二维分形特征,介于1~2之间。试样两种不同的分形维数与三大组分(纤维素、半纤维素及木质素)含量、纤维素结晶度、木素酚型/非酚型比及缩合/非缩合木素比之间都存在一定的相关性。基于图像处理法所构建的结构分形模型,方程中木素的系数k_2绝对值最大,即木素缩合/非缩合比对分维的影响最显著,其次为半纤维素,故木质素结构对试样的结构分维起主要作用,其它参数的影响次之。基于孔结构FHH分维的结构模型显示,比较针叶木单独建模与针叶木、阔叶木综合建模,方程中系数的正负不一致,各因素的变化趋势不同,针叶木建模中木质素酚型/非酚型比k_1对结构分维的影响最显著,而综合建模后纤维素含量对结构分维的影响最显著,这与建模原料或预处理方式的不同有关。
【图文】：

图 1-1 2016 年中国生物燃料乙醇企业分布Fig. 1-1 Distribution of biofuel ethanol enterprises in China in 2016维素转化燃料乙醇化燃料乙醇因其可再生及污染少等特性而成为最具应用前景

式中 n 为聚合度，，R 为—CH3或—H图 1-2 纤维素的化学结构示意图Fig. 1-2 Chemical structure diagram of cellulose
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6

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本文编号：2658060