玉米秸稈粉料在放電等離子體中的裂解反應研究

摘 要：在分解玉米秸稈粉料中的糖產物時，在保證無燃燒、無氧化情況下，進行高氣壓等離子放電體處理秸稈粉料。通過實驗發現，玉米秸稈粉料在沒有添加助劑和其他預處理情況下，可直接裂解成糖產物，同時得到二塘、單糖等產物。通過分析秸稈和秸稈中的半纖維素、木質素等產物，得到的裂解條件是：壓力是90kPa，環境溫度是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化率是69.38%，糖產率是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、無需復雜預處理情況有可能分解成糖。

關鍵詞：等離子體；氣體放電；玉米秸稈；裂解反應

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

秸稈中包含：半纖維素、纖維素、木質素等，將進行水解纖維素后，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，有很強的生理活性，可以減少機體膽固醇量，對治療糖尿病有很大幫助[1]。常規的堿法水解存在很大風險，工藝比較困難，對設備要求較高，酶水解法成本高、反應時間比較長[2]。本文分析的是使用高氣壓（≥0.01MPa）強電場放電等離子體進行玉米秸稈粉料裂解，以明確玉米秸稈中反應產物，為非平衡等離子體提供相應參考依據。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和原料

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，木質素等。

1.2 實驗設備和儀器

實驗設備包括：傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、高氣壓強電場放電裝置、質譜儀HP 1100 MSD、數字儲存示波器、Q3-V型靜電表、掃描電鏡、研磨儀、旋轉蒸發儀等。

1.3 實驗方法

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

放電氣體主要是參與的水蒸氣，樣品進行等離子放電之后，增加水蒸氣飽和流量，并升高溫度，將放電氣體與飽和產物水蒸氣結合，使其進到冷阱中能夠在下排氣體流動出反應器，之后中收集這些液體從冷阱中。反應結束后，使用蒸餾水沖洗接地極和電介質等，合并冷阱收集液體和沖洗液，使用活性炭進行脫色，之后進行旋轉蒸發在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，對收集的氣相產物進行色譜分析。

實驗裝置見圖1.主要由放電反應器、控制溫度系統、放電發生器構成，放電反應器相關結構見圖2。在加強電極間高電壓時，可以擊穿接地極、電介質之間的氣體，構成強電離放電高氣壓等離子體，采取非均相對原料粉體進行降解。

1.4 分析測試色譜條件

在真空70下濃縮黃色溶液后，進行HPLC分析，色譜條件是：由某公司生產的糖柱和配套的保護柱、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對進行過濾，進樣量是10。

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

1.5 配制標準溶液

對照品每個是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，溶解使用高純水進行，完成刻度定容，形成儲備混合液標準，進行標樣HPLC分析。

2 結果和討論

反應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。詳細數據見表1.

3 結論

玉米秸稈料在放電等離子體作用下，會轉化為二塘、單糖（包括六碳糖、五碳糖），其中轉化率是69.37%，糖產率40.17%。秸稈裂解產生的糖產物成分主要包括：纖維素、半纖維素都是等離子體，在放電條件下木質素不會出現變化。放電電壓、水蒸氣流量、溫度參與下會影響秸稈的糖產率，而水蒸氣流量和溫度之間存在極大值，水蒸氣在產物傳遞中會給糖產物造成很大的影響[3]。在等離子體高氣壓中放電進行裂解玉米秸稈粉料也能進行糖化，產生糖產物，該技術和其他實驗方法不同，它是一種新的可以將木質纖維轉變為糖的手段。

參考文獻：

[1]張夢怡，孫亞兵，蔣浩.電暈放電等離子體協同鎢酸鉍對水中鄰苯二甲酸二甲酯的降解研究[J].環境科學學報，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反應的研究[J].化學與粘合，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].原子能科學技術， 2016，50（09）：1658-1663.

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