玉米秸稈粉料在放電等離子體中的裂解反應(yīng)研究

摘 要：在分解玉米秸稈粉料中的糖產(chǎn)物時(shí)，在保證無燃燒、無氧化情況下，進(jìn)行高氣壓等離子放電體處理秸稈粉料。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈粉料在沒有添加助劑和其他預(yù)處理情況下，可直接裂解成糖產(chǎn)物，同時(shí)得到二塘、單糖等產(chǎn)物。通過分析秸稈和秸稈中的半纖維素、木質(zhì)素等產(chǎn)物，得到的裂解條件是：壓力是90kPa，環(huán)境溫度是70，水蒸氣常壓飽和流量是0.1L·min，放電間隙是0.60mm，N2煤質(zhì)氣體流量是0.35L·min，放電電壓是3kV，60min放電后玉米秸稈粉料轉(zhuǎn)化率是69.38%，糖產(chǎn)率是40.17%，糖選擇性是39.67%。這說明玉米秸稈在無高溫高壓、無酸堿、無需復(fù)雜預(yù)處理情況有可能分解成糖。

關(guān)鍵詞：等離子體；氣體放電；玉米秸稈；裂解反應(yīng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.195

秸稈中包含：半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等，將進(jìn)行水解纖維素后，提純分離后可以做成低聚糖纖維，它具有增殖雙歧桿菌因子，有很強(qiáng)的生理活性，可以減少機(jī)體膽固醇量，對治療糖尿病有很大幫助[1]。常規(guī)的堿法水解存在很大風(fēng)險(xiǎn)，工藝比較困難，對設(shè)備要求較高，酶水解法成本高、反應(yīng)時(shí)間比較長[2]。本文分析的是使用高氣壓（≥0.01MPa）強(qiáng)電場放電等離子體進(jìn)行玉米秸稈粉料裂解，以明確玉米秸稈中反應(yīng)產(chǎn)物，為非平衡等離子體提供相應(yīng)參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和原料

選擇某省無霉變自然儲存的玉米秸稈，使用研磨機(jī)磨成平均粒徑<0.2mm粉料。原料成分包括：半纖維素25.2%、纖維素38.8%，木質(zhì)素19.6%。

選擇某公司的D-IBS甘露糖、D-阿拉伯糖、D-木糖可以作為生化試劑；葡萄糖作為分析純。在購自用木聚糖代替半纖維素，單一組分纖維素，木質(zhì)素等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、高氣壓強(qiáng)電場放電裝置、質(zhì)譜儀HP 1100 MSD、數(shù)字儲存示波器、Q3-V型靜電表、掃描電鏡、研磨儀、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在接地電極上放置原料秸稈粉，篩薄薄一層就行，煤質(zhì)氣體流量是0.25～2.0L·min，激勵(lì)電壓是1～5kV，飽和水蒸氣流量是0.03～1.5L·min，在90kPa壓力下進(jìn)行處理。開始時(shí)，將電壓調(diào)到與正常放電電壓高30%，時(shí)間是1/4的整個(gè)放電時(shí)間，之后在正常放電電壓下進(jìn)行合理放電。

放電氣體主要是參與的水蒸氣，樣品進(jìn)行等離子放電之后，增加水蒸氣飽和流量，并升高溫度，將放電氣體與飽和產(chǎn)物水蒸氣結(jié)合，使其進(jìn)到冷阱中能夠在下排氣體流動出反應(yīng)器，之后中收集這些液體從冷阱中。反應(yīng)結(jié)束后，使用蒸餾水沖洗接地極和電介質(zhì)等，合并冷阱收集液體和沖洗液，使用活性炭進(jìn)行脫色，之后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)在76、40kPa、60條件下，將大量水去除后，在真空濃縮70下得到黃色溶液，對收集的氣相產(chǎn)物進(jìn)行色譜分析。

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.主要由放電反應(yīng)器、控制溫度系統(tǒng)、放電發(fā)生器構(gòu)成，放電反應(yīng)器相關(guān)結(jié)構(gòu)見圖2。在加強(qiáng)電極間高電壓時(shí)，可以擊穿接地極、電介質(zhì)之間的氣體，構(gòu)成強(qiáng)電離放電高氣壓等離子體，采取非均相對原料粉體進(jìn)行降解。

1.4 分析測試色譜條件

在真空70下濃縮黃色溶液后，進(jìn)行HPLC分析，色譜條件是：由某公司生產(chǎn)的糖柱和配套的保護(hù)柱、去離子柱。選擇0.6ml·min-1流速的高純水作為流動相，，柱溫恒定值是85使用折光示差檢測器，試樣使用微孔濾膜0.45m對進(jìn)行過濾，進(jìn)樣量是10。

Sephadex G-150（2×100cm）柱糖柱是70真空濃縮產(chǎn)物，在收集16ml·h部分，使用蒸餾水洗脫，收集峰位部分，進(jìn)行酚-硫酸法檢測，醇析，濃縮，干燥后測試IR（KBr）。

1.5 配制標(biāo)準(zhǔn)溶液

對照品每個(gè)是3.000g，精確稱取D-果糖、葡萄糖、D-木糖、D-阿拉伯糖，放在容量是50ml瓶中，溶解使用高純水進(jìn)行，完成刻度定容，形成儲備混合液標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)樣HPLC分析。

2 結(jié)果和討論

反應(yīng)原料水蒸氣飽和流量是0.1L·min，在90kPa氣體壓力下裂解、流量是0.35L·min。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1.

3 結(jié)論

玉米秸稈料在放電等離子體作用下，會轉(zhuǎn)化為二塘、單糖（包括六碳糖、五碳糖），其中轉(zhuǎn)化率是69.37%，糖產(chǎn)率40.17%。秸稈裂解產(chǎn)生的糖產(chǎn)物成分主要包括：纖維素、半纖維素都是等離子體，在放電條件下木質(zhì)素不會出現(xiàn)變化。放電電壓、水蒸氣流量、溫度參與下會影響秸稈的糖產(chǎn)率，而水蒸氣流量和溫度之間存在極大值，水蒸氣在產(chǎn)物傳遞中會給糖產(chǎn)物造成很大的影響[3]。在等離子體高氣壓中放電進(jìn)行裂解玉米秸稈粉料也能進(jìn)行糖化，產(chǎn)生糖產(chǎn)物，該技術(shù)和其他實(shí)驗(yàn)方法不同，它是一種新的可以將木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑氖侄巍?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]張夢怡，孫亞兵，蔣浩.電暈放電等離子體協(xié)同鎢酸鉍對水中鄰苯二甲酸二甲酯的降解研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（05）：1690-1696.

[2]崔澤琳，白雪峰，劉洋.Ar輝光放電等離子體還原法制備Pd/LDHs催化劑及其催化Suzuki反應(yīng)的研究[J].化學(xué)與粘合，2016， 38（06）：405-408.

[3]陳果，張玲，何小珊等.反式二丁烯與氫氣流量比對輝光放電等離子體組分與聚合物薄膜表面粗糙度的影響[J].原子能科學(xué)技術(shù)， 2016，50（09）：1658-1663.

作者簡介：李岳姝（1979-），女，研究生，副教授，究方向：復(fù)合材料、放電等離子。