稻秸皮层硅物质的分布及超微构造

为了探索稻秸表面硅物质的分布和超微构造,该文以稻秸各皮层的硅物质作为研究对象,采用扫描电子显微镜-能谱分析(scanning electric microscopy coupled with energy-dispersive spectroscopy,SEM-EDS)和X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)探讨稻秸各皮层硅物质的分布及构造。SEM-EDS研究表明,硅物质主要分布在叶鞘、茎秆的外层,且叶鞘中硅物质的含量高于茎秆。叶鞘外层的硅物质主要以小颗粒物存在、夹杂少量大颗粒物和毛状物。茎秆外层硅物质分布更为均匀,大颗粒物和毛状物进一步减少。叶鞘和茎秆小颗粒物均呈哑铃状规律出现,小颗粒物的粒径约为1μm。XRD研究显示,稻秸的叶鞘、茎秆、节和穗呈现纤维素I型的晶型结构,其结晶度分别为叶鞘55.3%,茎秆59.0%,节47.8%,穗57.4%,内含晶体尺寸约为叶鞘2.10 nm,茎秆2.13 nm,节1.36 nm,穗2.22 nm。稻秸各组织中提取的Si O_2均呈现非晶态特征。研究结果为仿照稻秸纤维-Si O_2结构,诱导纳米无机材料沉积在有机质表面,并且调控纳米颗粒在生长过程中的粒径和形态具有积极的意义。     

纳米二氧化硅/纳米纤维素复合材料制备及性能分析

使用造纸方法快速成功的制备了纳米纤维素,纳米二氧化硅复合材料,对并材料的力学性能,热性能和吸湿性能进行了分析。研究结果表明:随着纳米二氧化硅的添加量逐步提高,纳米复合材料的理论密度逐渐下降,材料的拉伸性能和模量值都有大幅度的下降。材料热解的初始降解温度和热解活化能随着纳米二氧化硅质量分数的增多提升,当纳米二氧化硅质量分数为20%时,材料初始热解温度为280℃。纳米复合材料的含水率随着吸湿时间的延长而增加,且随着纳米二氧化硅添加量的增多,材料的最终含水率不断提高,当纳米二氧化硅质量分数为20%时,纳米复合材料的最终含水率约26%,纳米复合材料的表面接触角值仅为40.4°。该研究结果可为制备了纳米纤维素/纳米二氧化硅复合材料提供参考。     

聚磷酸铵改善稻秸-高密度聚乙烯复合材料的理化性能

为了实现稻秸的资源化利用,以稻秸为增强相、高密度聚乙烯（high density polyethylene,HDPE）为基体相、聚磷酸铵（ammonium polyphosphate,APP）为阻燃剂制备了稻秸-HDPE复合材料,并利用热重分析仪、锥形量热仪和力学性能测试仪,探讨APP的添加量（0、8%、10%、12%）对复合材料热性能、阻燃性能和力学性能的影响。1）热分析结果表明：当增强相的质量分数为30%,HDPE的质量分数为70%时,以稻秸为增加相的复合材料初始分解温度和热解峰温低于以木材为增加相的复合材料,但残余率较高。当在稻秸-HDPE复合材料中添加10%～12% APP时,会促使稻秸-HDPE复合材料提前发生热降解,使得初始分解温度向低温方向移动8～9℃,并且APP的加入提高了稻秸-HDPE复合材料的热解峰温和残余率。2）阻燃性能结果表明,当增强相的质量分数为30%,HDPE的质量分数为70%时,稻秸-HDPE复合材料的阻燃性高于木材-HDPE复合材料。当在稻秸-HDPE复合材料中添加APP时,稻秸-HDPE复合材料的阻燃性能进一步提高。当APP添加量为12%时,稻秸-HDPE复合材料的平均热释放速率、热释放速率峰值和总热释放量达到133 kW/m2、357 kW/m2和105 MJ/m2,比未添加APP时分别降低了20.4%、20.7%和11.0%,氧指数达到23%,比未添加APP时增加了12.7%。3）力学性能表明,当增强相的质量分数为30%,HDPE的质量分数为70%时,稻秸-HDPE复合材料的韧性高于木材-HDPE复合材料,APP的加入使得稻秸-HDPE复合材料的韧性得到提高,而弯曲强度、拉伸强度几乎没有影响。研究结果为以稻秸为增强相制备阻燃型木塑复合材料提供参考。     

真空热解松木粉制备生物油

为研究与开拓高品位生物油的制备方法,该文以松木粉为原料,采用真空热解的方法制备生物油。讨论了150～830μm的4种不同粒径大小、400～600℃的5种不同反应温度对真空热解的影响,对其原因进行讨论与分析;并对最优条件下的真空热解气液相产物进行表征。试验结果表明,在500℃反应温度下,250～380μm粒径松木粉真空热解得到生物油产率最高,可达52.06%;真空热解生物油的黏度较低,流动性能好,高附加值化合物较多,这些特性使真空热解生物油作为提取化学品的原料成为可能,该研究为生物质制备高品位生物油提供参考。     

稻壳炭提取SiO2及制备活性炭联产工艺

为了利用气化发电的固体产物稻壳炭,通过单因素试验,研究了稻壳炭同时提取二氧化硅及制备活性炭工艺技术,得出优化的工艺条件:质量分数20%的K2CO3溶液与稻壳炭原料的液固比为15mL/g,煮溶温度100℃,煮溶时间3.5h;稻壳炭的炭化温度是450℃,活化温度850℃,活化时间2h;SiO2的陈化温度为3℃、陈化时间3h。此条件下制备的稻壳基活性炭得率39.34%、碘吸附值978.35mg/g、亚甲基兰吸附值12mL/0.1g;二氧化硅得率25.77%、白度89.91%。试验表明该工艺制备出的稻壳基活性炭及二氧化硅产品的质量均达到了国家标准的要求,同时为稻壳炭的高效、无公害及资源化利用提供了一条可循的途径。     

油茶壳热解产物特性及热解炭制备活性炭工艺优化

为了探究热解终温对油茶壳热解产物特性的影响,实现油茶壳热解多联产产物的有效利用,该文研究了油茶壳300～700℃热解过程中气、液、固的得率,特性和能量分布规律,讨论了油茶壳热解炭制备活性炭的工艺条件。研究表明,随着热解终温的升高,生物质炭得率下降,不可凝气体得率上升,生物质油得率则呈现先上升后下降的变化趋势。生物质炭的能量产率高达47.21%～81.59%,是油茶壳热解的主要产物,随着热解终温的升高,其固定碳含量增大,BET比表面积先增加后减小,在600℃达到最高值278 m2/g。油茶壳活性炭制备的最佳工艺条件活化温度850℃,活化时间1.5 h,水蒸气用量与炭的比2.0,此条件下的活性炭得率为37.47%,碘吸附值为825 mg/g,BET比表面积为736 m2/g。该研究为油茶壳热解多联产工艺及产物的综合有效利用提供参考依据。     

超顺磁性颗粒表面复合修饰及用于固定化α-淀粉酶载体的效果

磁性Fe_3O_4材料应用于固定化酶具有易分离和回收、操作简便等优点。为保持磁性材料优良的性能,更好的与酶结合,需要对磁性Fe_3O_4纳米颗粒进行修饰。使用低共熔试剂、二氧化硅等材料对制备的超顺磁性Fe_3O_4颗粒进行表面复合修饰,经修饰后的颗粒用于固定化α-淀粉酶,通过透射电子显微镜分析、扫描电镜分析、红外光谱分析、热重分析、综合物性分析、酶活力测定等手段研究了颗粒的结构组成、理化特性。结果表明,载体颗粒呈球形,粒径均在100 nm以下,表面有不规则物,Fe_3O_4纳米颗粒较均匀镶嵌于其中,分散性好。磁性Fe_3O_4纳米颗粒饱和磁化强度为65.42 emu/g,固定化酶后饱和磁化强度仍在21.90 emu/g以上。颗粒表面有丰富的功能基团,且修饰较稳定,其中DES3修饰的复合颗粒酶固载量达145.2μg/(10 mg),且催化活性最高,是良好固定化酶的载体材料。     

尿素氨化预处理改善稻秸干法厌氧发酵特性

为了提高稻秸的可生物降解性,利用尿素氨化预处理方式,研究不同尿素质量分数(2%、4%、6%、8%、10%)和不同预处理温度(25、30、35、40、45、50℃)对稻秸预处理前后木质纤维素含量变化及干发酵产气特性的影响。结果表明:1)不同尿素质量分数对稻秸预处理效果影响显著,尿素预处理能够破坏稻秸木质纤维素的结构,预处理后稻秸的碳氮比降低,预处理后稻秸的累计产气量比未经处理组高20.67%~38.20%(P0.05),尿素质量分数为4%时效果较好;2)不同预处理温度对稻秸预处理效果影响不显著,尿素预处理效果主要受尿素质量分数的影响。研究结果为秸秆的预处理工艺提供参考,并为秸秆厌氧干发酵技术提供数据支持。     

基于能量得率的棉秆热裂解炭化工艺优化

为了从能源利用角度设计和优化棉花秸秆热裂解制生物炭的热解炭化工艺,该文使用了产率、热值及能量得率3个指标来衡量工艺的优劣。首先,研究了热解温度、保留时间和原料粒径3个工艺条件分别对生物炭产率和热值的影响。结果表明,在3个工艺条件下生物炭产率与热值均呈负相关,即高产率和高热值目标无法同时满足。因此,引入能量得率(单位原料所产生物炭的总能量)作为全面评价生物炭产率和热值的综合指标,重点利用响应面分析法分析了3个工艺条件及其交互作用对能量得率的影响,并经过检验得到优化后的能量得率模型。模型预测结果表明,在炭化温度为429℃,保留时间为1.29 h,原料粒径为0.32 mm时,能量得率达到最大值,为78.95%,通过验证试验证明了模型的有效性。该模型能够用于指导生产高能量得率的生物炭,为生物炭能源高效利用目标的实现提供参考。     

秸秆热解炭气联产热解焦油雾化试验

热解焦油作为秸秆热解炭气联产过程中的副产物，直接排放会造成严重的环境污染，通过雾化燃烧的方式能实现清洁利用。为探究热解焦油雾化规律，优化雾化工艺参数，该研究基于双流体空气雾化技术和散射谱粒度分析技术，设计了热解焦油雾化试验系统，并开展了单因素试验和正交试验，对比研究热解焦油温度、气体温度、气体压力对热解焦油稳态自由喷雾粒度及粒度分布的影响。结果表明，随着热解焦油温度、气体温度和气体压力的增加，热解焦油的索特平均直径不断减小并且均匀性更好。各因素对雾化效果的影响强弱顺序分别为热解焦油温度、气体压力、气体温度，最优雾化参数为热解焦油温度100 ℃，气体温度120 ℃，气体压力0.5 MPa，在此条件下热解焦油雾化液滴平均粒径为81 μm，粒径200 μm以下颗粒占比85%以上，雾化均匀性较好，该结果为热解油后续充分燃烧提供数据支持。     

水稻秸秆生物质炭对土壤磷吸附影响的研究

本文以水稻秸秆为原料,分析了不同热解温度下生物炭的性质,并利用批处理实验,分析了生物炭添加量和热解温度对土壤磷吸附特性的影响。结果表明：随着热解温度的升高,生物炭的碳化程度、比表面积和磷含量增加。生物炭添加显著减少了土壤对磷的吸附量,而且随着生物炭热解温度的增加,土壤对磷的吸附量显著增加。Langmuir方程和Freundlich方程都能够较好地拟合生物炭对土壤磷的等温吸附。准一级动力学方程和准二级动力学方程可较好地描述生物炭对土壤磷吸附动力学的行为。通过以上研究结果可知,水稻秸秆生物炭可以减少土壤对磷的吸附并增加土壤有效磷的含量,因此在土壤改良方面具有一定的应用潜力。     

镉污染水稻秸秆生物炭对土壤中镉稳定性的影响

中国农田土壤镉等重金属污染问题突出,对其生产过程中产生的镉污染水稻秸秆进行无害化和资源化利用研究具有重要意义。该研究通过连续提取试验、风险评价指数法、吸附动力学/热力学、土柱试验,以及X射线衍射分析、傅里叶变换红外光谱分析等手段,探究了不同热解温度下制备的镉污染水稻秸秆生物炭对土壤中Cd的稳定特性。研究结果表明,镉污染水稻秸秆热解制备的生物炭可有效吸附土壤镉。热解温度显著影响生物炭对Cd的吸附能力（P<0.05）,高温生物炭对Cd吸附容量大,700 ℃下制备的生物炭对Cd的吸附容量可达72.57 mg/g。生物炭对Cd的吸附主要通过含氧官能团表面络合和碳酸盐共沉淀吸附,其吸附过程符合Langmuir方程和准二级动力学模型,吸附过程受化学速率控制。土柱试验表明,镉污染水稻秸秆生物炭能有效降低土壤Cd的下渗迁移能力,其作用机制主要是将土壤Cd从酸可提取态转化为残渣态,施入高温生物炭的土壤中Cd的残渣态比例最高。上述结果表明,热解可有效处理镉污染水稻秸秆,制备的生物炭可用于Cd等重金属污染土壤的稳定修复,有效解决镉污染水稻秸秆的潜在二次污染问题并实现其安全利用。     

有机酸处理条件对玉米秸秆热解特性的影响

酸洗预处理能有效改善K^+对生物质热解的影响,该文利用热重分析仪和裂解-气相色谱质谱联用仪进行了玉米秸秆的热解试验,研究了不同有机酸酸洗浓度(3%、5%和7%)、酸洗温度(25、50和75℃)和酸洗时间(1、2和3 h)对玉米秸秆热解特性的影响。结果表明:酸洗能显著降低玉米秸秆内在K^+的含量;经过不同条件的有机酸洗预处理后,玉米秸秆的TG/DTG(thermogravimetry/differential thermogravimetry)曲线均向高温段移动,最大热解速率随着酸洗浓度和酸洗温度的增加逐渐增大,随着酸洗时间的增加先增大后降低,在酸洗温度为75℃时,最大热解速率达到最大值15.49%/min;与此同时,玉米秸秆热解主要产物为酚类、酮类和呋喃类化合物,酸洗后,其酚类物质产率明显增加,在酸洗浓度为7%时达到最大值16.75%,而酮类和呋喃类化合物产率减少,分别在酸洗时间为1 h和酸洗浓度为7%时达到最小值0.10%和7.13%。酸洗后,焦炭产率减少,在酸洗浓度为3%时达到最小值18.79%。通过研究不同处理条件下有机酸对玉米秸秆热解特性的影响,为生物质预处理中酸溶液的选择提供了参考。     

生物炭对向日葵秸秆热解特性及气体产物影响

为了研究生物炭对向日葵秸秆热解的影响,以向日葵秸秆为原料,基于TG-FTIR研究生物炭添加前后向日葵秸秆热解特性与气体产物的变化。结果表明,与向日葵秸秆相比,混合样品主热解区间由276~349℃变得更长,并且发生不同程度的偏移,热解活化能不同程度降低,由60.21降到38.07~50.35 kJ/mol,呋喃类、酸类、含羰基类化合物、芳香醛类、CO、CH4等产物吸光度值存在差异。随着添加500℃制备生物炭比例增加,混合样品热解的活化能减小,释放气体产物中芳香醛类释放量增量减少,CO与CH4释放量降低。添加不同制备温度的生物炭,混合样品热解产生呋喃类、酸类、含羰基类化合物释放量均有所降低;添加500和700℃制备的生物炭,混合样品热解气体产物中芳香醛类增加。添加900℃制备的生物炭,向日葵秸秆热解气体产物中CO产量增加。该研究为向日葵秸秆的有效利用提供理论基础和技术支撑。     

原料预处理对生物质热裂解动力学特性的影响

为探讨水洗和酸洗等预处理方法对生物质热裂解动力学特性的影响,以水稻秸秆为生物质原料,使用去离子水和质量分数分别为3%、7%和10%的盐酸、硫酸和磷酸溶液对水稻秸秆进行水洗和酸洗处理,采用热重分析法考察了水洗和酸洗,以及酸浓度对水稻秸秆热裂解特性及综合性指数的影响,并采用Thermo-kinetics软件进行多元非线性拟合得到了热裂解过程的动力学参数,推测了热裂解动力学模型。试验结果表明：水洗及酸洗可使水稻秸秆的热解主反应区热重和微分热重曲线向高温侧移动,最大失重速率和最大失重温度升高;盐酸和磷酸溶液浓度对水稻秸秆热裂解特性的影响较小,而硫酸浓度的影响显著,并随浓度升高而增大;酸洗有利于水稻秸秆中挥发分的析出,可以脱除秸秆内的部分钾盐,3种酸脱钾盐的作用依次为：盐酸>硫酸>磷酸;热裂解热性综合特性指数受水洗和酸洗影响显著,并随酸浓度升高而变化;两步连续反应模型可较好地描述水稻秸秆的热裂解过程;水稻秸秆经去离子水和磷酸洗涤后,热裂解倾向于发生符合Avrami/Erofeev的n维成核反应或晶核成长反应,经盐酸和硫酸洗涤后,则倾向于发生n阶反应。     

农作物秸秆微波热解特性试验

为了研究农作物秸秆在微波辐照下的热解特性,采用定制的微波加热装置,进行了整包秸秆的微波热解试验,并对秸秆微波热解的产物和能耗进行了考察。结果表明,微波加热过程中料包内部温度分布均匀,升温迅速。微波输入功率是影响加热过程的关键因素, 同时料包内部的传热传质对温度分布也有重要影响。微波加热会引发秸秆的热解反应,气体产物主要由氢气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳等组成,通过氮吸附方法和扫描电镜分析,得到了固体产物的比表面积、孔容和孔径。微波热解电耗较大,应该合理选择微波功率和物料处理量,以提高经济性。该文结果可为农作物秸秆的资源化利用提供基础性资料。     

用于复合材料的小麦秸秆纤维性能及制备工艺

针对目前中国小麦秸秆利用率不高以及燃烧秸秆所带来的环境污染问题,该文研究了利用稀烧碱溶液处理小秸秆以制备用于复合材料的小麦秸秆纤维的性能及制备工艺,研究了氢氧化钠溶液质量分数、液固比、处理温度和处时间等工艺参数与小麦秸秆纤维失重率的关系,并对所制备的小麦秸秆纤维的强伸性能、表面性能进行了测试。结果明,小麦秸秆经稀烧碱溶液处理(氢氧化钠质量分数4%、液固比30mL/g、处理温度100℃、处理时间60min)后制的小麦秸秆纤维力学性能与原样相比没有明显损伤,但内、外表面结构均变得疏松,比表面积增大,滴水接触角变小从而提高了聚合物聚乳酸对秸秆纤维的浸润性能,提高了二者之间界面的粘结性。该研究结果为利用小麦秸秆制备秸纤维增强聚乳酸复合材料提供参考。     

两步法高效水解水稻秸秆制取木糖和葡萄糖

在序批式高压反应釜反应器中,采用两步法研究了水稻秸秆在稀硫酸水溶液中水解为木糖和葡萄糖,系统考察了反应温度、反应时间、水稻秸秆用量和稀酸浓度对水稻秸秆水解反应的影响。实验结果表明:与传统一步法酸水解相比,采用两步法酸水解水稻秸秆,既可以得到很高的木糖产率,又可以得到较高的葡萄糖产率;反应温度、反应时间和酸浓度对水稻秸秆酸水解产物的分布和产率有着重要影响。第一步水解反应中,当底物用量为1.5 g,酸浓度为0.5%wt时,140℃反应120 min,木糖产率高达162.6 g·kg-1;第二步水解反应中,当底物用量为0.5 g,酸浓度为1.0%wt时,180℃反应120 min,葡萄糖产率高达216.5 g·kg-1。本研究为农业废弃物水稻秸秆的高效和高值资源化利用提供了新的策略。     

Rice Straw-Derived Biochar Properties and Functions as Cu(Ⅱ) and Cyromazine Sorbents as Influenced by Pyrolysis Temperature

In this study, biochars from rice straw(Oryza sativa L.) were prepared at 200–600?C by oxygen-limited pyrolysis to investigate the changes in properties of rice straw biochars produced at different temperatures, and to examine the adsorption capacities of the biochars for a heavy metal, copper(Ⅱ)(Cu(Ⅱ)), and an organic insecticide of cyromazine, as well as to further reveal the adsorption mechanisms.The results obtained with batch experiments showed that the amount of Cu(Ⅱ) adsorbed varied with the pyrolysis temperatures of rice straw biochar. The biochar produced at 400?C had the largest adsorption capacity for Cu(Ⅱ)(0.37 mol kg-1) among the biochars,with the non-electrostatic adsorption as the main adsorption mechanism. The highest adsorption capacity for cyromazine(156.42 g kg-1) was found in the rice straw biochar produced at 600?C, and cyromazine adsorption was exclusively predominated by surface adsorption. An obvious competitive adsorption was found between 5 mmol L-1Cu(II) and 2 g L-1cyromazine when they were in the binary solute system. Biochar may be used to remediate heavy metal- and organic insecticide-contaminated water, while the pyrolysis temperature of feedstocks for producing biochar should be considered for the restoration of multi-contamination.     

生物炭颗粒在饱和多孔介质中的迁移与滞留

生物炭在实际生产实践中具有许多潜在的农业和环境效益,因此受到了越来越多的关注。生物炭在多孔介质中的迁移不仅会影响它在土壤中的归趋,还可能会影响微生物群体及土壤有机质的动态变化以及被吸附的污染物对环境的影响。实验通过柱实验研究了微米级生物炭颗粒在饱和多孔介质中的迁移和滞留特性,主要选取了四种影响生物炭迁移的潜在因素:原材料、裂解温度、背景溶液pH值和离子强度。实验结果显示微米级生物炭在饱和多孔介质中具有一定的迁移能力,但是大部分的微米级生物炭会滞留在饱和多孔介质的表面和孔隙间。生物炭的制备原材料对于生物炭的表面电势特性有较大影响,从而影响了微米级生物炭在饱和多孔介质中的迁移能力。热解温度越高,生物炭的表面电势越大,迁移能力越弱。随着背景溶液离子强度增加和pH值减小,微米级生物炭颗粒在多孔介质中滞留增加,迁移能力减弱。