昆明地区16种阔叶树树叶的热重分析

应用热重分析法研究了昆明地区16种阔叶树树叶的热解行为。实验结果表明:样品的热解过程可分为水分析出、快速热解、炭化等3个阶段;快速热解阶段的失重率约为65%,该阶段样品的热解动力学参数可以由一级反应方程和Coats-Redfern模型描述,通过计算发现光叶石栎、厚皮香具有较好的防火特性,着火温度、活化能、燃烧特征指数分别为:282.7℃、43.1 kJ/mo、l0.764×10-6和264.6℃、41.4 kJ/mo、l0.635 1×10-6。     

黑龙江帽儿山12种草本可燃物的慢速升温热解特性

以黑龙江帽儿山12种草本可燃物为研究对象,用热重分析法对其升温速率为10℃·min-1的慢速热解过程进行研究,利用TG-DTG曲线分析它们的热解特性,得到了纤维素和木质素的热解与温度、失重量以及失重速率的关系.结果表明:空气气氛下12种草本可燃物的热解均经历3个主要阶段,根据3个阶段的平均失重速率和初始分解温度,可对12种草本可燃物在不同燃烧阶段的燃烧性进行评价.这3个阶段是:1)失水阶段,温度范围是室温～ 120℃,根据该阶段的平均失水速率和初始热解温度判断,猴腿蹄盖蕨、芍药和耧斗菜最易燃;2)综纤维素热分解阶段,温度范围是100 ～370℃,根据综纤维素的平均分解速率判断,耧斗菜的有焰燃烧最剧烈;3)木素热分解阶段,温度范围370 ～500℃,根据木素的平均分解速率判断,宽叶山蒿和蚊子草无焰燃烧最剧烈.     

核桃壳与煤共热解的热重分析及动力学研究

利用热重分析在不同升温速率(5～50 K/min)和氮气气氛下对核桃壳、褐煤以及核桃壳-褐煤(质量比1∶1)混合物的热解失重行为进行了研究,求取了热解动力学参数。实验结果表明,随着升温速率的提高,3种原料的失重率下降,热失重速率升高;核桃壳与褐煤共热解时存在协同作用;三者的平衡热解温度分别为568.9、709.9和571.0K。应用Coats-Redfern方法进行热解动力学过程分析表明,3种原料均可由一级反应过程描述。核桃壳快速热解和残余物缓慢热解阶段的平均活化能分别为50.6、17.3 kJ/mol,褐煤的平均活化能为21.1 kJ/mol,核桃壳-褐煤混合物快速热解和残余物缓慢热解阶段的平均活化能分别为34.2和14.5 kJ/mol。     

杨木粉与纤维素热解特性的对比研究

利用热重红外联用的分析方法对杨木粉和纤维素的热解失重特性和产物生成特性进行了对比研究。结果表明,杨木粉与纤维素热解失重的主要阶段在210～400℃范围内,裂解速率均约在350℃时达到最大。由于纤维素与杨木粉组成成分不同,杨木粉发生热失重的时间更早过程更长,而结构单一的纤维素在热失重过程中反应更为剧烈,分解速度较快裂解更完全。在线红外分析结果表明,杨木粉和纤维素热解产生的气体主要为CO2、CO、H2O及饱和小分子烷烃类,由于杨木粉中还有除纤维素以外的组分,使其热裂解过程变得更为复杂。     

Thermogravimetric Analysis and Kinetics of Walnut Shell and Coal Co-pyrolysis

利用热重分析在不同升温速率(5 ～50 K/min)和氮气气氛下对核桃壳、褐煤以及核桃壳-褐煤(质量比1∶1)混合物的热解失重行为进行了研究,求取了热解动力学参数.实验结果表明,随着升温速率的提高,3种原料的失重率下降,热失重速率升高;核桃壳与褐煤共熟解时存在协同作用;三者的平衡熟解温度分别为568.9、709.9和571.0K.应用Coats-Redfern方法进行热解动力学过程分析表明,3种原料均可由一级反应过程描述.核桃壳快速热解和残余物缓慢热解阶段的平均活化能分别为50.6、17.3 kJ/mol,褐煤的平均活化能为21.1 kJ/mol,核桃壳-褐煤混合物快速热解和残余物缓慢热解阶段的平均活化能分别为34.2和14.5 kJ/mol.     

杨木刨花板的热解动力学分析

采用热重分析仪对杨木刨花板进行热解,结合Coats- Redfern法分析热重曲线,探讨了反应机理.结果表明:杨木刨花板的热解过程分为失水干燥、快速热解和慢速热解3个阶段；升温速率的提高使热解最大失重速率增大,热解的各个阶段向高温方向横向偏移.快速热解阶段的反应机理满足D3模型,热解的活化能(E) 107.24 kJ/mol；5、10和20℃/min 3种速率下的指前因子(A)值分别为2.09×105、6.57×105和3.22×105 s-1.     

树叶组成的热解反应及热稳定性的理论解析

采用多组分平行反应模型并结合非线性最小二乘拟合技术,对树叶在惰性氛围中的热重(TG)试验结果进行动力学过程的解析,理论上跟踪各组分的热解特性和规律。结果表明:随着温度的提升,树叶经历脱水、挥发油类物质析出、半纤维素、纤维素以及木质素的依次降解并形成焦炭(即固定碳)等过程。温度150℃后树叶的热失重速率(DTG)曲线的变化特征主要由半纤维素、纤维素以及木质素的热解叠加而成,与木材中主要成分的热解现象相似。半纤维素热解几乎完全生成气体,对碳形成的贡献很小;纤维素则稍有不同。木质素对固定碳的含量贡献最大。相应地,半纤维素和纤维素的份额对应工业分析中的挥发分含量,而固定碳含量则取决于木质素所占的比例。工业分析中挥发分的含量高意味着对应材料的热稳定性差,即可燃性强;对于固定碳的含量来说则正好相反。研究结果为评估植物的热稳定性以及防火树种的筛选提供了重要的依据。     

椰壳热解炭化热分析研究

椰壳是一种优质活性炭原料,利用同步热重-差热分析仪(TG-DTA)对椰壳的热失重、热效应、热稳定性进行研究,分析了椰壳热解炭化的机理。作者还探讨了椰壳热解温度、升温速度对其炭化得率、分解速率的影响。实验结果表明:在5种升温条件下,椰壳热分析曲线都有两个失重阶段。热解温度区间在200~410℃之间。控制第二失重阶段是椰壳热解炭化的关键,提高升温速率在一定程度上会有利于椰壳热解反应的进行。当升温速率为20℃/m in,此时分解热焓为792.15 J/g,失重为31.925%。热解终温宜选择575℃。为椰壳的炭化工艺优化提供理论依据。     

废轮胎与生物质共热解特性研究

采用热重分析(TG-DTG)对废轮胎和生物质的热解特性进行了分析,研究了原料配比、升温速率及粒度对热解的影响,并采用HSC计算模拟软件对热解气体的分布规律进行了模拟。研究结果表明:废轮胎与生物质共热解过程主要分为干燥阶段(20~200℃)、气化裂解阶段(200~500℃)和二次裂解阶段(500~800℃) 3个阶段。废轮胎掺混比例由100%下降至0时,热解初始温度由358.0℃下降至288.5℃,热解终止温度由473.0℃下降至361.6℃。随着升温速率和原料粒度的增加,废轮胎热解反应的最大失重速率增大,热解终温逐渐升高,反应向高温方向移动。采用Coats-Redfern法得到的废轮胎与生物质共热解阶段(250~500℃)活化能为18.61~40.86 k J/mol,生物质掺混比例增加时反应所需要的活化能减小。HSC计算模拟发现:热解过程气体产物主要为H_2、CO、CH_4和CO_2,随着废轮胎掺混比例下降,H_2、CO和CO_2产量增加,CH_4产量减小。通过可燃性气体总量与CO_2产量比值及热解特性分析发现:废轮胎掺混比例控制在40%~60%时获取的可燃性气体产量较高。     

不同防腐剂处理马尾松边材防腐性能研究

利用扫描电镜(SEM)分析了马尾松边材素样以及6种防腐剂处理马尾松边材在被褐腐菌侵染后的降解情况,采用同步热分析(TGA-DSC)研究了试样热解特性、各反应阶段热动力学参数等。研究表明:当热解温度升高到600℃时,各试样失重率从小到大依次为10%丙酮<10%蒸馏水<马尾松素样<4%樟脑<10%乙酸乙酯<10%甲醇<4%氨溶烷基铜铵(ACQ),最大失重量越大则对应试样防腐剂的防腐效果越好。各试样的热解在低温区(260~380℃)和高温区(380~600℃)分别满足一级和二级反应动力学方程。各试样活化能从一级反应到二级反应阶段均出现不同程度减小。试样浸渍的防腐剂防腐效果越好,其褐腐后的纤维素含量保留得就越多,则对应试样的一级热解反应活化能越高。     

核桃壳热解行为及动力学研究

利用热重分析在不同升温速率(5～50 K/min)和氮气气氛下对核桃壳的热解失重行为进行了研究。实验结果表明,核桃壳的热解过程可分为失水干燥、预热解、快速热解和残余物缓慢分解等4个阶段;快速热解阶段和残余物缓慢分解阶段的失重率分别为55%和32%左右,它们均可由一级反应过程描述,根据一级反应由Coats-Redfern方法计算核桃壳快速热解阶段和残余物缓慢分解阶段的平均活化能分别为50.7和17.3 kJ/mol。实验结果还表明加热速率越大,热解速率越快。     

纤维素与半纤维素热解过程的相互影响

以微晶纤维素为纤维素模型物,以木聚糖为半纤维素模型物,采用同步热分析仪(STA)及热重和傅立叶红外光谱仪联用技术(TG-FT-IR)对微晶纤维素、木聚糖以及两种成分不同比例的混合组分进行了研究,以考察纤维素和半纤维素在热解过程中的相互影响。结果表明微晶纤维素和木聚糖均有一狭窄的快速热解温度区间,而且两者热解区间不重合。在微商热失重(DTG)峰对应温度区间微晶纤维素热解有一明显的吸热峰,吸热量为547.98 J/g,木聚糖热解则有一个比DTG峰较晚出现的小吸热峰,吸热量为45.01 J/g。木聚糖与微晶纤维素的混合组分的热解研究中发现,在DTG曲线上有两个分别由它们热解引起的失重峰,随着组分中比例的变化两个热失重峰此消彼长。微晶纤维素的热解失重峰不仅往高温区移动,而且热解速率减缓,热失重范围变宽。在DSC曲线上有两个分别由木聚糖和微晶纤维素热解所引起的吸热峰,木聚糖的吸热峰受组分中比例的变化影响较小,而微晶纤维素吸热峰随着纤维素比例的下降而明显减小。FT-IR检测到的主要有气体产物为H2O、CH4、CO2和CO。木聚糖与微晶纤维素的混合组分热解产物析出规律总体上是两者热解产物析出的叠加,与单独热解相比组分的混合有利于CH4、CO的生成,而CO2的产量则有较大幅度的下降。     

木质素磺酸盐的化学结构与热解特性

以木质素磺酸钙(Ca-Ls)为原料,运用元素分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)手段对其化学结构和性能进行表征,利用热重分析法(TG)和热解-气相色谱/质谱联用(Py-GC/MS)技术研究木质素磺酸钙的热裂解特性。研究发现:木质素磺酸盐相对于草本类木质素具有较低的碳含量及氮含量,较高的硫含量;木质素磺酸钙含有较丰富的愈创木基(G型)与紫丁香基(S型)结构单元;木质素磺酸钙热解分为4个阶段,主要热解温度范围为150~450℃;升温速率为10、20、30℃/min时,热失重微分曲线上最大失重峰向高温迁移,同时随着升温速率的增大,木质素磺酸钙热解时样品颗粒达到热降解所需温度的响应时间变短,木质素磺酸钙热分解速率增大,从而改变了木质素发生热降解反应的进程。     

基于热重分析的南昌地区8种可燃物的热解动力学及燃烧性排序

通过热重分析对江西省南昌市茶园山林场8种乔木凋落物进行热解特性和动力学研究,计算了热解参数和动力学方程中的活化能E和指前因子A,分别根据综纤维素的活化能和热解参数主成分得分两种方法对其燃烧性进行了排序。结果表明:8种森林可燃物的综纤维素分解阶段的活化能在11.71~47.78 k J/mol之间,木质素分解阶段活化能在18.02~92.38 k J/mol之间;不同可燃物之间、不同反应阶段之间的指前因子变化很大;应用主成分分析对这8种可燃物的燃烧性的从高到低的排序为阴香楠竹桂花雪松油茶香樟银杏鹅掌楸;而采用活化能进行的排序与此相反。     

生物质热解挥发分析出及动力学特性研究

采用热重分析仪研究稻壳、松木屑和玉米秸秆在热解终温600℃下的热解过程,并运用TG-FTIR研究其热解过程中挥发分气体的析出规律。结果表明:随热解温度升高,其热解反应固体残余率逐渐减少,产量具有较为明显的差异:稻壳(41.8%)玉米秸秆(29.3%)松木屑(20.8%)。有机气体在FTIR图谱中主要集中在1 000~2 000cm~(-1),醛类和酸类是吸光度峰值最大的气相产物。生物质热解油的主要形成阶段主要集中在300~520℃,为增大生物质热解油产量,最佳制油温度应控制在450℃左右。分别运用DAEM和F-W-O法对10、20、30、50℃/min下松木屑的热解进行动力学计算,求解的平均活化能分别为144.92kJ/mol和146.01kJ/mol,当转化率达到0.70时,对应的热解温度为450℃左右。     

基于等转化率法的芒草和玉米秸秆热解特性及动力学研究

利用热重分析仪对芒草和玉米秸秆在不同升温速率(5、10、20和40℃/min)下的热解特性进行了研究,并采用Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)、Starink和Ozawa等转化率法研究了其热解动力学特性。结果表明:芒草和玉米秸秆热解过程可分为干燥失水、过渡、主热解和炭化4个阶段;随着升温速率增加,热解各阶段均向高温侧移动,失重率增加,表明升温速率增加可促进热解反应的进行。动力学计算结果表明:3种方法拟合的相关系数均大于0.9,且芒草的相关系数大于玉米秸秆;芒草的活化能,KAS和Starink法计算得到的结果很接近,Ozawa法较低;而玉米秸秆的活化能,Ozawa法得到的最高,Starink法居中,KAS法最低。在整个热解过程中,3种方法求得的芒草的活化能随转化率升高波动明显,表明芒草热解过程发生了一系列复杂的化学反应;转化率为0.1~0.3、0.3~0.7及0.7~0.8时,分别对应半纤维素、纤维素及木质素的主热解阶段,这表明芒草三组分热解难易程度为木质素纤维素半纤维素。而玉米秸秆则不太一样,转化率为0.1~0.4时,玉米秸秆活化能急剧增加;转化率为0.4~0.8时,玉米秸秆活化能缓慢下降直至平稳。     

基于热重分析的延边州地区7种常见乔木树种的燃烧性排序

【目的】热重分析是评价森林可燃物热解特性的重要方法。热重分析的结果能够用于计算热解动力学方程和其他热解参数,这是评价可燃物燃烧性的数据基础。根据热解动力学方程参数和其他热解参数的主成分分析结果对延边州地区7种常见乔木树种燃烧性进行排序,为延边州地区的防火树种选择提供理论支撑和指导。【方法】以延边州地区7种常见乔木树种的树皮、树叶为研究对象,利用热重分析仪器得到TG-DTG曲线并计算热解动力学方程求得7种乔木树种树皮及树叶的活化能(E)和指前因子(A),根据综纤维素热解阶段的活化能(E)以及主成分分析中的得分对7种乔木树种进行燃烧性排序。【结果】7种乔木树种的综纤维素热解阶段的活化能范围为:树皮:21.93～35.83 kJ·mol-1;树叶:25.76～46.10 kJ·mol-1,7种乔木树种树皮和树叶之间、不同热解阶段之间的指前因子变化很大;主成分分析法得到7种乔木树种的燃烧性排序:树皮:榆树皮椴树皮红松皮长白落叶松皮蒙古栎皮刺槐皮白桦皮。树叶:白桦叶红松叶榆树叶长白落叶松叶刺槐叶椴树叶蒙古栎叶。活化能排序与主成分分析法排序大致相反。【结论】根据热解参数的主成分分析结果对7种树种燃烧性排序,表明蒙古栎、刺槐和长白落叶松是延边州地区较好的抗火树种,可以作为较好的防火树种进行选择。     

棕榈壳热解失重特性及动力学研究

采用热重-红外联用(TG-FTIR)、裂解-气相色谱/质谱联用(Py-GC/MS)技术和小型固定床装置,考察了棕榈壳的热解失重过程和产物特性,并进一步评价了热解半焦的气化反应性。结果表明:棕榈壳热解失重过程大致分为干燥(25~236℃,3.42%)、主失重(236~400℃,52.31%)和炭化(400~850℃,14.90%)3个阶段,1.5级或2级反应可以较好描述棕榈壳热解反应的主失重过程;升温速率10~30 K/min下,反应表观活化能为67.63~76.47 k J/mol;热解过程主要气体产物的释放量顺序分别为CO2、H2O、CH4和CO;600~850℃下,棕榈壳主要热解产物为液相产物,其质量产率36.8%~50.9%,能量产率41.3%~58.9%,主要组分包括苯酚、乙酸、十八烷酸、十六烷酸、4-烯丙基-2,6-二甲氧基苯酚等物质,其中苯酚GC含量较高(12.56%~15.49%),这可能主要与原料木质素的含量较高有关;固相产物的质量和能量产率分别为20.6%~26.7%和27.4%~35.0%,其CO2气化反应性相对低于稻秆、木粉等常见生物质。     

杏壳半纤维素的结构表征与热解产物特性

【目的】研究杏壳半纤维素的结构组成、微观形貌以及其热解特性和产物生成规律,为杏壳热化学利用提供理论基础。【方法】采用碱抽提和乙醇纯化方式分离杏壳半纤维素,基于红外光谱、核磁共振、扫描电子显微镜对其结构组成和微观形貌进行表征,利用热重分析、热重红外连用分析杏壳半纤维素的热解特性。【结果】从杏壳中分离出半纤维素的得率为29.44%,红外光谱特征吸收峰主要集中在1 620～600 cm^-1范围内,半纤维素成分以吡喃环结构的木糖为主。核磁共振图谱表明,杏壳半纤维素是以β-D-吡喃木糖形成的木聚糖为主链,在木糖基的C-2位连接4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸,C-3位连有α-L-呋喃阿拉伯糖。扫描电子显微镜分析显示,半纤维素存在团聚现象,微观形态呈堆砌状的近似球形结构,半纤维素结构有一定的破坏。杏壳半纤维素的主要热解温度范围为210～380℃,在240℃出现一个肩状峰,在308℃出现最大失重尖峰,失重过程在600℃左右结束,800℃时热解残炭量为25.33%。杏壳半纤维素热解时各产物析出量在310℃时达到最高,小分子气体产物主要有CO_2、CO、CH_4,且CO_2和CO量远高于CH_4。【结论】杏壳半纤维素得率为29.44%,是以β-D-吡喃木糖形成的木聚糖为主链,呈堆砌状的近似球形结构,热解产物以CO_2、CO及乙酸、糠醛、丙酮等为主。     

漆树提取物的热稳定性及分解动力学研究

利用热重-微商热重(TG-DTG)分析漆树提取物(RWE)在氮气氛围中的热分解曲线,运用Kissinger、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)、Friedman、Coats-Redfern和Achar法对第一步热分解过程进行动力学分析,计算热分解的表观活化能(E_a)和指前因子(A),并根据E_a和A计算热力学参数和推算漆树提取物的贮存期。研究结果表明:随着升温速率的增大,漆树提取物的热分解温度逐渐升高;漆树提取物的失重分为2个阶段(10 K/min):第一阶段189.09～266.59℃,第二阶段266.59～377.79℃,这两步热分解对应DTG曲线有2个主要的失重峰,最大热失重速率对应的温度分别为248.3和306.2℃,总失重率为57.94%。漆树提取物第一阶段热分解的机制函数为Avrami-Erofeev方程(随机成核和随后生长,n=3/4),积分形式g(α)=[-ln(1-α)]~(3/4),微分形式f(α)=4/3(1-α)[-ln(1-α)]~(1/4)。计算得到E_a=101.353 kJ/mol,lnA=25.092 8,A=7.9×10~(10) min~(-1);ΔG=77.799 kJ/mol,ΔH=96.978 kJ/mol,ΔS=36.446 J/mol;可以推断漆树提取物在室温(25℃)氮气氛围下贮存的话,贮存期为1.5～2年。