木質素及其提取后剩余物的熱解動力學

王慧麗++張幻影 肖波

摘要：在生物質高效利用的過程中，須要對纖維素與木質素進行有效分離，為了更深入地研究木質素及其提取剩余物，以松木為原料，對木質素及其提取后剩余物進行熱解特性研究和熱解動力學分析。結果表明，乙二醇木質素的熱解過程為3個階段：水分揮發、支鏈斷裂重組和芳環縮聚成炭；經Flynn-Wall-Ozawa（FWO）模型擬合得出的線性方程相關系數較高，因此FWO模型可應用于乙二醇木質素及其提取剩余物主要熱解階段的動力學分析。通過熱解動力學分析得出，乙二醇木質素及其提取剩余物的平均表觀活化能分別為221.81、193.13 kJ/mol。

關鍵詞：木質素；木質素提取剩余物；熱解；動力學；FWO模型

中圖分類號：TK6文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）03-0228-03

收稿日期：2016-02-17

基金項目：國家“863”計劃（編號：2012AA101809）；國家自然科學基金（編號：21276100）；文華學院環境系統分析科研創新團隊（編號：j14021301）。

作者簡介：王慧麗（1980—），女，陜西渭南人，碩士，講師，從事固體廢棄物資源化利用、環境污染和評價等方面的研究。E-mail：lypp1229@126.com。

通信作者：張幻影，碩士，工程師，從事固體廢棄物資源化利用研究。E-mail：xiaobo_hust@163.com。

生物能作為一種可再生能源，具有資源豐富、分布面廣、可就地利用、轉換技術簡單及在利用過程中CO2零排放等優點[1]。生物質的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，其中木質素是由苯丙烷單元通過醚鍵、碳碳鍵連接而成的天然芳香族三維高分子網狀聚合物，也是自然界中唯一可再生的芳香族化合物[2-3]。木質素在各類植物中均有存在，植物越成熟，木質素含量越高，全球每年木質素產量約1 500億t，我國僅農作物秸稈一年就能產生大約5～6億t木質素。由此可見，木質素是一種具有應用前景的天然聚合物。

木質素分子的官能團具有較強的活性，其結構、性質比較復雜。木質素的分離技術已被廣泛應用，如纖維素與木質素的分離，是用農林廢棄物制取燃料乙醇、純凈生物柴油的首要步驟[4]；此外，還可以用玉米秸稈生產纖維素乙醇、紙、黏合劑、吸附劑、高分子材料、橡膠等[5-6]。如果能夠有效實現原材料的纖維素與木質素低成本的有效分離，生物質將被更好地利用。

本研究以松木為原料，開展對木質素及其提取后剩余物熱解特性的研究和熱解動力學分析，探討反應溫度對反應過程的影響，分析所得木質素及其提取剩余物的熱解特性與動力學特征。

1材料與方法

1.1原料制備方法

本試驗原料松木鋸末取自武漢市某家具廠，首先對鋸末進行破碎及篩分，選取80～120目粉體，然后用苯、乙醇混合溶劑（體積比2 ∶[KG-*3]1）抽提6 h，沖洗后，在40 ℃空氣干燥箱中干燥備用。

木質素及其提取剩余物的制備流程見圖1。

1.2熱解試驗方法

取1 g樣品置于熱重/差熱綜合分析儀（型號：Diamond TG/DTA，鉑金-埃爾默儀器有限公司）中進行熱解試驗，以N2氣氛為載氣，流量為50 mL/min，升溫速率為40 ℃/min。

2結果及分析

2.1乙二醇木質素的熱解特性分析

通過對乙二醇木質素的熱重（TG）分析，得到其TG、微商熱重法（DTG）曲線，從圖2可以看出，木質素的熱解分為3個階段：第1個階段為水分揮發階段，溫度區間大致為40～190 ℃，包括表面水、間隙水的蒸發和木質素支鏈斷裂成的小分子揮發析出，質量損失4.2%，失質量率為9.34%；第2個階段為木質素的支鏈斷裂重組階段，是木質素熱降解的主要階段，木質素的支鏈不斷地斷裂、重組、析出，熱解氣體、焦油產生量較高，其溫度區為190～510 ℃，該階段質量損失3307%，且失質量率為60.07%；第3個階段為熱解固化成碳階段，此時乙二醇木質素的支鏈斷裂速率降低，揮發分析出較少，失質量速率下降，失質量曲線逐漸平緩，其溫 度>510 ℃，質量損失7.69%，失質量率為17.10%。

3結論

通過對木質素及提取后剩余物進行熱解特性分析，得出乙二醇木質素的熱解過程可以分成3個階段：水分揮發、支鏈斷裂重組和芳環縮聚成炭；經FWO模型擬合出的線性方程相關系數較高，可以將FWO模型應用于乙二醇木質素及其提取剩余物主要熱解階段的動力學分析。得到的乙二醇木質素及其提取剩余物熱解過程的平均表觀活化能分別為 221.81、193.13 kJ/mol，分別可作為乙二醇木質素及其提取剩余物熱解過程的表觀活化能參考值。

參考文獻：

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