改性生物質性狀研究

陳 娟，高啟帥，閆海軍，閆 龍，李 健，馬向榮，張智芳，王玉飛

(1.榆林學院化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2.陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；3.國家煤及鹽化工產品質量監督檢驗中心(榆林)，陜西 榆林 719000)

生物質是繼三大化石能源之后另一種最重要的可再生資源，來源廣，無二次污染且價格低，占世界總能耗的14%[1]，具有巨大的資源潛力和廣闊的發展前景。

在環保壓力巨大的今天，一次化石能源(如煤炭)資源日趨緊缺。若將生物質資源代替部分煤炭資源，不僅節約煤炭資源，還可有效減少環境污染，進而實現生物質資源化和能源化利用[2-3]。

目前，關于廢棄生物質-粉煤復合制備生物質燃料燃燒炭化方面的研究已取得一定成果[4-10]。作者從宏觀、微觀角度通過工業分析、SEM分析、BET分析與熱重分析，研究改性生物質(廢棄的玉米秸稈、葵花籽皮、花生殼)的基本質量參數、形貌特征、比表面積及孔徑、熱解性能等，為生物質-粉煤成型機理提供理論基礎。

1 改性生物質的基本質量參數

分別用濃度為1.5%、2.0%、2.5%、3.5%、5.0%的NaOH對玉米秸稈、葵花籽皮、花生殼進行改性，其水分、灰分、揮發分、固定碳的含量變化如圖1所示。

圖1 改性生物質的水分(a～c)、灰分(d～f)、揮發分(g～i)、固定碳(j～l)的含量變化Fig.1 Content changes of moisture(a-c),ash(d-f),volatile(g-i),and fixed carbon(j-l) of modified biomass

由圖1可知：(1)3種改性生物質的水分含量隨NaOH濃度的增加基本呈上升趨勢。分析認為，高濃度NaOH對生物質降解作用較強，可溶物溶出量較多，造成改性生物質孔隙結構較為豐富，可容納較多的游離水[11]。(2)3種改性生物質的灰分含量較改性前高，因為NaOH溶解組分為有機質，而灰分屬于無機質；改性生物質的灰分含量與NaOH濃度沒有呈現普適性規律，可能與生物質本身不均一性與結構復雜性有關。(3)3種改性生物質的揮發分含量較改性前低，主要是因為NaOH將生物質中可溶解有機質溶出。改性生物質的揮發分含量隨NaOH濃度的增加基本呈下降趨勢。(4)3種改性生物質的固定碳含量較改性前高，且固定碳含量隨NaOH濃度的增加基本呈上升趨勢?？梢姡琋aOH濃度越高，生物質的改性效果越顯著，當NaOH濃度較高時，對生物質結構有一定程度破壞，原來大分子有序結構消失，殘留下來不被溶解的有機質大分子即為固定碳[12-13]，析出的揮發分越多，殘留下來的固定碳越少。

2 改性生物質的SEM分析

NaOH改性玉米秸稈、NaOH改性葵花籽皮、NaOH改性花生殼的SEM照片如圖2所示。

a，b.NaOH改性玉米秸稈 c，d.NaOH改性葵花籽皮 e，f.NaOH改性花生殼

由圖2可知，改性生物質的結構變化顯著，大量纖維素分離暴露，呈現多孔隙或通道，比表面積增大，與煤粒結合活性位點增加，有利于成鍵。研究[14]表明，NaOH首先破壞生物質中的木質素，進一步溶解半纖維素，進而暴露纖維素，整個溶解過程中產生糖類、果膠、單寧等液態粘接性物質。正因為生物質改性后出現圖2所示的纖維絲之間相互粘連、交織狀態，才賦予其在型煤中具有粘接和拉伸作用[15]。

3 改性生物質的BET分析

NaOH改性玉米秸稈、NaOH改性葵花籽皮、NaOH改性花生殼的N2吸附-脫附等溫線如圖3所示。

由圖3可知，3種改性生物質均具有Ⅲ型吸附等溫線典型特征，兩線之間滯后回環出現，但滯后期有差異，說明有介孔結構[16-17]。相對壓力<0.1時，吸附曲線與脫附曲線重合且上升緩慢，改性生物質吸附量、脫附量都較少，主要為微孔單分子層吸附。相對壓力>0.1后，2條曲線均水平狀緩慢上升，且脫附量略大于吸附量，滯后回環圈開始形成，此時主要為介孔多分子層吸附。相對壓力接近1.0時，2條曲線均急劇上升，一直到接近飽和蒸氣壓時也未出現吸附飽和現象，吸附層數無限大，這是由于吸附質在介孔內發生毛細凝聚現象所致[18]?？梢姼男陨镔|中主要分布大量介孔[10]，且發生多分子層吸附。

4 改性生物質的熱重分析

NaOH改性玉米秸稈、NaOH改性葵花籽皮、NaOH改性花生殼的TG-DTG-DSC曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著溫度的升高，3種改性生物質的熱解過程均大致分為三個階段：第一階段(<200 ℃)，主要是生物質孔隙中水分、小分子氣體(CO、CH4等)干燥析出過程，量少，失重緩慢；第二階段(200～500 ℃)，最主要失重階段，為生物質解聚與分解階段，揮發分析出量大，TG曲線急劇下降，DTG曲線呈現較大熱解峰，3種改性生物質的熱解峰值溫度大小順序為：改性玉米秸稈(330 ℃)>改性葵花籽皮(321 ℃)>改性花生殼(319 ℃)，可能與改性生物質的個體差異性有關；第三階段(>500 ℃)，TG與DTG曲線趨于平緩，發生縮聚反應，析出少量的小分子，熱解基本完成，最終失重率在70%以上[19-22]。

a.1.5%NaOH改性玉米秸稈 b.2.0%NaOH改性玉米秸稈 c.2.0%NaOH改性葵花籽皮

a.1.5%NaOH改性玉米秸稈 b.2.0%NaOH改性葵花籽皮 c.2.0%NaOH改性花生殼

5 結論

分別用濃度為1.5%、2.0%、2.5%、3.5%、5.0%的NaOH對玉米秸稈、葵花籽皮、花生殼進行改性，研究改性生物質的基本質量參數、形貌特征、比表面積及孔徑、熱解性能等。結果發現：改性生物質水分含量和固定碳含量隨NaOH濃度增加基本呈上升趨勢，揮發分含量則基本呈下降趨勢，灰分含量與NaOH濃度未呈現普適性規律；NaOH改性生物質的結構變化明顯，大量纖維素分離暴露，呈現多孔隙或通道，微觀上以介孔為主，比表面積增大，與煤粒結合活性位點增加，具有粘接潛質；NaOH改性生物質的熱解峰值溫度約320 ℃左右，低于煤的熱解峰值溫度，與煤混合熱解有利于提高熱解性能，降低活化能。

在環保壓力巨大的今天，清潔燃料——生物質型煤的應用是污染防治重要舉措。本研究目前主要是實驗室理論完善階段，后期將逐步放大生物質型煤的制備，利用實驗室中試粉煤成型機制備橢球型煤，利用恒源煤化工有限公司成型設備——中天泰和成型機制備條狀型煤，為實現生物質型煤的規模產業化奠定基礎。