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棉花是我国的主要经济作物,随着棉花的丰收,会产生大量的剩余物。干馏热解是农业剩余物资源化利用有效途径之一。本文对棉秆热解特性、木醋液成分及其影响因素、木醋液对种子萌发的影响进行了研究。主要研究内容与成果如下:
⑴利用STA449C热重分析仪对棉秆及其组分进行了热解动力学的研究。结果表明:棉秆及其组分棉皮、木质、棉芯的热解过程均可分为失水、预热、主热解和炭化4个阶段。其中,棉皮的失重速率曲线DTG表现出两个失重蜂,其残炭率较高,木质、棉芯最大失重速率较大,木质、棉芯以及棉秆的DTG线是单峰;样品在α=10%~80%区间的活化能较稳定,其中棉皮较高,棉芯最低;Stava与Achar法推断样品机理函数均为Avrami—Erofeev方程,但反应级数有所差异。说明棉秆及其组分热解特性有一定差异。
⑵研究了过渡金属化合物Cr2O3与碱金属及酸洗处理对棉秆热解特性的影响比较。结果表明:随着Cr2O3浓度增加,棉秆热解残炭率逐渐降低,失重速率逐渐增大。30%Cr2O3催化棉秆热解活化能略低于棉秆原样,用Stava与Achar法得到其机理函数是Avrami—Erofeev方程,反应级数n=2。比较了Cr2O3与碱金属对棉秆热解的影响,结果表明:Cr2O3、KCl残炭量略小,失重速率较大,CaCl2失重速率最小,残炭量最大;20%Cr2O3较20%KCl催化棉秆残炭率低了9%。应用SEM技术发现酸洗前后棉秆微观结构发生了变化;酸洗后棉秆残炭率降低,热解速率提高,但使棉秆热解向高温区明显偏移。研究表明一定浓度Cr2O3较碱金属和酸洗催化棉秆更有利于挥发分的析出。
⑶利用热重—红外联用对棉秆热解过程析出成分进行了分析。结果表明:热解初始阶段失重主要是游离水析出造成,有少量有机物生成,但无酚类物质出现;预炭化阶段有少量小分子挥发分气体;主热解阶段对应吸光率最大处的红外图谱,表明在该阶段反应剧烈,是木醋液组分生成的主要阶段:炭化阶段由于碳氧键断裂或芳香化转化,有酚类物质生成。研究结果表明棉秆木醋液中的酚类物质主要是在主热解阶段生成并持续到炭化阶段。
⑷采用GC/MS技术研究分析了原料种类、热解终止温度、Cr2O3浓度、物料尺寸、盐酸酸洗预处理等对木醋液成分尤其是酚类成分的影响。观察了处理后原料热解前后的微观结构差异。结果表明:棉秆木醋液的酚类物质高于锯屑木醋液的酚类,尤其是苯酚、愈创木酚、2—甲基苯酚等含量较高;棉秆热解终止温度提高到450℃时其木醋液酚类生成量最大,种类最多,并且利于苯酚、愈创木酚、对甲苯酚的生成;Cr2O3催化热解棉秆,随着Cr2O3浓度增加,木醋液中苯酚、2—甲基苯酚、2—甲氧基苯酚相对含量明显提高;粗粉(<15mm)较细粉(<3nHn)棉秆热解利于木醋液酚类生成,且粗粉木醋液检测到愈创木酚、苯酚、2—甲基苯酚含量高于细粉的;而酸洗预处理棉秆热解不利于木醋液中酚类物质生成;从利于酚类物质生成的角度出发,本研究发现添加Cr2O3及大尺寸处理原料、终止温度为450℃是棉秆热解制取木醋液的有效选择。
⑸研究了木醋液浸种对种子萌发的影响。单因素实验表明:浓度对种子萌发有显著影响,其稀释倍数适宜范围是100-300倍,发芽率相对对照组提高约10%;在不同浓度下,发芽数与时间的关系呈现CUBIC曲线关系;浸种时间对发芽率影响不显著,但浸种2~4h对发芽势有显著效果;进行了多因素混合正交实验,考察了浓度与浸种时间的交互作用,极差分析结果表明浓度对发芽率影响最大,木醋液种类次之,浸种时间影响最小,且交互作用不显著。研究了木醋液对玉米种子的萌发及幼苗生长的影响,拟合了处理浓度与发芽率、发芽指数、发芽势、出苗长度相关关系为CUBIC曲线,结果表明木醋液稀释300倍是促进种子萌发的适宜浓度,而稀释2000倍则对玉米幼苗有促进生长的作用。