酒糟热解特性及其活性炭制备的研究

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随着社会经济的发展,生活水平的提高,人们对环境污染问题越来越重视。同时伴随着人们对能源需求量日益增加,化石能源已不能满足目前社会发展的需求,探索发展替代化石燃料的绿色新能源势在必行。生物质资源丰富,分布广泛,是一种很有前景的清洁可再生能源。而中国每年都要产生大量的酒糟废弃物,酒糟作为酿酒工业和酒精工业中重要的副产品,同时也是一种生物质资源。由于酒糟的含水率较高,堆放过程中会产生大量酒糟渗滤液,而酒糟渗滤液中含有大量有机污染物,若储藏不当或不及时处理,会造成严重环境污染。探寻酒糟废弃物减容化、无害化和资源化的处置技术是一项关乎生态文明、环境保护及能源利用的重要课题。为此,本文以酒糟废弃物为研究对象,深入探讨原位酒糟和被提取非木质纤维素成分后的酒糟渣的热解失重特性、活化能、气相产物红外演变特性、酒糟中蛋白质等组分与酒糟中木质纤维素组分在热解过程中的交互作用以及该过程的反应机理,为酒糟固体废弃物的热处理应用提供新的技术路线和理论指导,并提出以酒糟为碳化原料,K2CO3为活化剂的“一步化学活化法”制备酒糟活性炭的制备工艺路线。首先,本文采用SDT650型热重分析仪研究了酒糟与分离非木质纤维素组分后的酒糟渣热解失重特性。结果表明,酒糟热解反应被分为三段,第一阶段为50-138oC,第二阶段为138-500oC,第三阶段为500-900oC。第二阶段为酒糟热解的主要阶段,在305℃时热解速率最大。随着升温速率的增加,酒糟的热解失重曲线逐渐往高温一侧移动,起始热解温度增高,单位时间内的失重率逐渐增加,且最大热解失重速率增大。采用热重-红外光谱联用设备(TG-FTIR)研究了热解气体产物及官能团随热解反应变化的演变特性,建立了热解动力学反应模型,分析了酒糟中蛋白质等组分与酒糟中木质纤维素组分在热解过程中的相互作用规律。TG-FTIR分析结果表明,酒糟热解中发生的主要反应是美拉德反应,酮化反应和脱羧反应,热解挥发物主要分为无机气体组分(如H2O、CH4、CO2)和有机组分(如胺、醛、酮、酸、酚类物质)。蛋白质、氨基酸在一定温度范围内是促进木质素纤维素热解,在热解温度T<230oC与T>380oC时,产生抑制作用,230oC<T<380oC时,产生促进作用。非木质纤维素成分的存在导致酒糟在较低的温度范围内以比非木质纤维素组分后的酒糟渣(200 k J/mol)具有更高的反应速率和更低的活化能(150 k J/mol)进行反应。然后以酒糟废弃物为原料,采用K2CO3、KOH、KHCO3、CH3COOK四种活化剂分别活化的酒糟活性炭进行研究,发现K2CO3活化的酒糟活性炭的亚甲基蓝吸附量最大;KHCO3活化的酒糟活性炭的比表面积最大,为2321.375 m2/g;CH3COOK活化的酒糟活性炭的孔容最小。影响酒糟活性炭吸附性能因素大小排列为:总孔容>介孔数量>表面积。最后针对以K2CO3作为活化剂,采用“一步化学活化法”制备酒糟活性炭。通过优化制备工艺,最后得到最优的制备条件如下:碳化温度为850℃,碳化时间为1 h,酒糟与K2CO3质量比为1∶1,升温速率为15oC/min。所得活性炭的孔结构主要为微孔和介孔,最大孔径为348.2 nm,平均孔径为3.0895 nm,比表面积为1946 m2/g,总孔容为1.503 cm3/g,对亚甲基蓝吸附量为843 mg/g,在吸附亚甲基蓝初始阶段,吸附速率较快,在吸附时间为20 min时,吸附达到平衡。
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