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高含水量废弃生物质水热降解工艺及其资源化利用研究

作　者: 罗光恩
导　师: 倪吾钟；石伟勇
学　校: 浙江大学
专　业: 植物营养学
关键词: 水热处理 高含水量生物质 木质纤维类生物质 无添加水 资源化利用
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着各类资源的不断消耗,作为产量巨大和可再生的生物质资源逐渐引起各界的重视,并被认为是未来公认的潜在能源性物质和资源性物质。新鲜生物质一般具有较高的含水量,特别是作为未来生物质利用重心的水生生物质,其含水量更大。而当前各类资源化处理过程中,生物质中的高含量水分将带来高额操作成本或处理操作工艺及路线限制,成为生物质再利用的重要限制性因素之一。故而,本论文开展了针对高含水量生物质的资源化利用处理工艺的实验,并期于未来可以在实际中得到商业化运用。通过实验及分析得到以下主要结论：(1)结合当前热门的生物质处理工艺—水热处理和高含水量生物质的较高含水量这一特点,提出一套针对高含水量生物质的亚临界水热处理工艺,即不添加水,直接对这类高含水量生物质进行加压升温处理。通过初探性试验可以表明,该工艺可以将生物质中的各组分降解转化形成相应的单体。通过水热处理可以增值回收得到氨基酸、蛋白质和单糖等物质以及生物原油等可以在化学工业再利用物质。而该工艺具有以下特点：免除了其他处理技术中需要烘干等高成本工艺,并可以多元化利用处理得到的产物。(2)通过响应面分析了不同添加水含量对水热资源化利用生物质的影响。试验表明,水热过程中的水分添加量对水热资源化转化过程具有重要的影响。而当生物质的水分含量达到85%以上,则可以采用不添加水的水热处理工艺直接进行处理。(3)选取了不同来源的三种生物质废弃物：蔬菜废弃物、水生生物质以及水生生物质和花鸟市场的花枝废弃物的两组分混合生物质原料作为高含水量木质纤维类生物质的模型物,研究其在423-553 K处理温度和0-60 min处理停留时间内的水热转化效果。实验结果表明：在所设置的处理温度和处理停留时间内,三种生物质材料发生不同程度降解转化。木质纤维素类生物质中的主要组分纤维素和半纤维素均发生降解转化,而且它们的降解量随着处理温度的升高和处理停留时间的增加而增加。由于水热体系中存有再浓缩现象,故在没有酸碱等催化剂存在的情况下,于本试验设置温度范围内是无法完全降解生物质材料中的纤维素和半纤维素组分的。相比之下,木质素在水热体系降解转化所需的温度更高,本试验中,只在553 K温度和较长的处理时间下才表现降解现象。此外,通过固体产物的资源化分析表明,由于固体产物中具有较高含量的腐殖酸类物质和氮磷钾等养分含量,可以作为有机肥料施用于土壤改造和地力提升等工程。而残留在固体产物中少量纤维组分有利于进一步提升固体产物作为有机肥料的品质。处理温度和处理停留时间对资源化回收蛋白质、氨基酸和单糖及生物原油等影响不同,故在实际操作中应当针对具体的目的物质,进行具体参数设置。在多元化探讨水热降解产物利用的研究表明,水热处理得到的液体产物还具有较强的抗氧化性和一定的抑菌性,在提取这些抗氧化性物质和抑菌性物质后,可用于相关行业的药品制备,并为高产值资源化利用液体产物提供了新的途径。(4)通过动力学试验分析比较了常规热解和水热处理高含水量生物质的降解转化过程。结果表明：水热处理可以在较低温度下对纤维素等组分进行降解转化。水热体系中,生物质在473-553 K处理温度范围内的计算得到的表观活化能为90 KJ/mol,要明显低于常规热解条件下于相同温度区间内计算得到的活化能值130～116 KJ/mol,这也表明了在较低处理温度下,水热技术更合适于木质纤维类生物质的降解及在利用转化。

全文目录


致谢  7-8
摘要  8-10
ABSTRACT  10-13
目次  13-18
第一章 绪论  18-38
  1.1 课题研究背景及意义  18-19
  1.2 高含水量生物质资源发展现状  19-25
    1.2.1 高含水量生物质产生及特点  19-20
    1.2.2 生物质再利用必要性及前景性  20-21
      1.2.2.1 节约资源  20-21
      1.2.2.2 保护和改善生态环境  21
      1.2.2.3 促进区域经济和谐发展  21
      1.2.2.4 生物质利用发展前景  21
    1.2.3 生物质资源化利用技术研究现状  21-25
      1.2.3.1 生物质直接燃烧  22
      1.2.3.2 生物质物理转化技术  22-23
      1.2.3.3 生物质生物转化技术  23
      1.2.3.4 生物质化学转化技术  23-25
  1.3 水热技术发展及研究进展  25-36
    1.3.1 水热技术的理论基础  26-27
    1.3.2 水热反应的影响因素  27-28
    1.3.3 利用水热处理技术进行增值化再利用研究进展  28-32
      1.3.3.1 水热能源化回收利用技术  29-32
      1.3.3.2 利用水热技术进行增值化物质回收利用  32
    1.3.4 水热处理过程中反应途径研究进展  32-36
      1.3.4.1 木质纤维类废弃物水热转化途径  32-33
      1.3.4.2 淀粉类废弃物的水热降解途径分析  33-34
      1.3.4.3 蛋白质类废弃物的水热降解途径分析  34-35
      1.3.4.4 塑料废弃物的水热降解途径分析  35-36
  1.4 本文主要研究内容  36
  1.5 本文拟解决问题  36-38
第二章 高含水率生物质无添加水水热降解可行性研究  38-52
  2.1 引言  38
  2.2 材料与方法  38-43
    2.2.1 实验材料  38-39
    2.2.2 实验装置  39-40
    2.2.3 实验过程  40-41
    2.2.4 分析方法  41-42
    2.2.5 结果数据表示方法  42-43
  2.3 实验结果与讨论  43-51
    2.3.1 原料组分情况分析  43
    2.3.2 固体产物分析  43-47
      2.3.2.1 固体产物产量分析  43-44
      2.3.2.2 固体产物中纤维组分残留量分析  44-46
      2.3.2.3 FTIR分析  46-47
    2.3.3 液体产物分析  47-51
      2.3.3.1 液体产物pH分析  47-48
      2.3.3.2 液体产物中可溶性增值物质含量分析  48-49
      2.3.3.3 脂溶性组分物质分析  49-51
  2.4 本章小结  51-52
第三章 水添加量对水热转化生物质的影响  52-64
  3.1 引言  52
  3.2 材料与方法  52-54
    3.2.1 实验材料与设备  52-53
    3.2.2 BBD设计  53
    3.2.3 实验过程  53
    3.2.4 实验测定指标及分析方法  53-54
    3.2.5 数据处理及表示方法  54
  3.3 实验结果分析与讨论  54-63
    3.3.1 水热处理后产物分布和pH  54-57
    3.3.2 固体产物的FTIR分析  57
    3.3.3 水料比对液体产物中增值物质的水热转化影响  57-61
      3.3.3.1 水料比对水热回收还原糖的影响  57-59
      3.3.3.2 水料比对水热回收氨基酸的影响  59-61
      3.3.3.3 水料比对水热回收蛋白质的影响  61
    3.3.4 水热回收增值产物的模型分析  61-63
  3.4 本章小结  63-64
第四章 高含水量生物质无水水热处理具体实例  64-88
  4.1 引言  64
  4.2 材料与方法  64-66
    4.2.1 实验材料及设备  64
    4.2.2 实验考察因素  64-65
    4.2.3 水热处理过程  65
    4.2.4 实验指标分析方法  65-66
    4.2.5 实验结果数据表示方法  66
  4.3 实验结果分析与讨论  66-87
    4.3.1 不同源生物质组分特性分析  66
    4.3.2 水热降解产物分析  66-69
    4.3.3 固体产物中纤维组分分析  69-71
    4.3.4 液体产物分析  71-74
      4.3.4.1 液体产物的pH分析  71-73
      4.3.4.2 液体产物的还原糖、蛋白质和氨基酸含量  73-74
    4.3.5 脂溶性组分分析  74-87
  4.4 本章小结  87-88
第五章 高含水量生物质水热降解动力学分析  88-104
  5.1 引言  88
  5.2 材料与方法  88-91
    5.2.1 高含水量生物质水分挥出特性试验  88-89
    5.2.2 高含水量生物质干物质常规热解热重实验  89-90
    5.2.3 高含水量生物质亚临界水热降解热重试验  90
    5.2.4 液体产物紫外光扫描  90
    5.2.5 数据分析处理  90-91
  5.3 实验结果分析与讨论  91-102
    5.3.1 实验原料分析  91
    5.3.2 高含水量生物质水分挥出特性  91-93
    5.3.3 高含水量生物质常规热重分析  93-95
    5.3.4 高含水量生物质新水热处理工艺热重分析  95-97
      5.3.4.1 热重曲线  95-96
      5.3.4.2 降解液紫外光吸收  96-97
    5.3.5 常规热降解和水热降解的动力学参数分析  97-102
      5.3.5.1 动力学分析一般理论  97-98
      5.3.5.2 动力学方程拟合分析  98-102
  5.4 本章小结  102-104
第六章 生物质水热转化产物资源化再利用探讨  104-116
  6.1 引言  104
  6.2 材料与方法  104-106
    6.2.1 试验材料  104
    6.2.2 ABTS~(·+)法测定水热处理降解液抗氧化性  104-105
    6.2.3 水热处理降解液抑菌性测定  105
    6.2.5 固体产物腐植化程度测定  105
    6.2.6 固体产物FTIR测定  105-106
    6.2.7 固液产物的氮磷钾养分含量测定  106
  6.3 实验结果分析与讨论  106-115
    6.3.1 液体产物的抗氧化性分析  106-108
    6.3.2 液体产物的抑菌性能分析  108-109
    6.3.3 固体产物再利用分析  109-115
      6.3.3.1 固体产物FTIR分析  110-112
      6.3.3.2 固体产物中的腐殖酸类似物含量  112-113
      6.3.3.3 固体产物中的氮磷钾养分分析  113-115
  6.4 本章小结  115-116
第七章 全文总结及展望  116-120
  7.1 全文总结  116-117
  7.2 全文技术路线总结及研究展望  117-118
  7.3 创新点  118-120
参考文献  120-138
攻读学位期间发表的论文及成果  138

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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