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能源短缺是人类面临的重大课题之一,目前为人类提供能量的是以石油、煤炭和天然气为主的不可再生能源体系,普遍认为地球上的石油资源将在50年内枯竭,因此,建立以可再生能源为基础的能源体系是全球科学家为之奋斗的目标之一。燃料乙醇是一种可再生燃料,可在专用的乙醇发动机中使用,又可按一定的比例与汽油混合,在不对原汽油发动机做任何改动的前提下直接使用。使用含醇汽油可减少汽油消耗量,增加燃料的含氧量,使燃烧更充分,降低燃烧中的CO等污染物的排放。
由于乙醇-水的混合物在常压时存在共沸点,因此不能用普通蒸馏法得到无水乙醇。本实验采用生物质吸附法,将木薯干片去皮粉碎后作为吸附剂制无水乙醇。木薯作为吸附剂具有价格低廉、能耗低,使用失效后可作为发酵法制无水乙醇的原料等优点。
本实验主要选用木薯吸附剂为研究对象。将木薯和Chromosorb WAW DMCS硅藻土载体以1∶4的比例装填色谱柱,运用反气相色谱法研究木薯吸附剂对水和乙醇的吸附选择性。采用电镜扫描对其进行表征,利用美国康塔仪器公司生产的Hydrosorb1000水蒸气吸附仪测定了40℃时木薯吸附剂等温吸附脱附特征。实验选用吸附柱内径为30mm,有效装填高度为650mm。通过对比不同气速、床层高度、吸附剂粒度、吸附剂种类的条件下,对吸附柱的透过曲线、不同床层位置的温度曲线、压降曲线以及吸附剂的生产能力的影响,计算了吸附波速度、传质区长度。
实验结果表明:反气相色谱法实验中,柱温从80℃变化到130℃,水和乙醇的保留时间在纯Chromosorb WAW DMCS硅藻土载体填充柱中很短;而在木薯吸附剂和硅藻土载体的混合柱中水的净保留时间远大于乙醇的净保留时间。同时水和乙醇的保留时间随温度升高而缩短,且水的保留时间减少得更快。通过计算得水的吸附热为-31.19kJ/mol,乙醇的吸附热为-1.93kJ/mol。因此木薯对水和乙醇的吸附属于物理吸附且对水的吸附选择性大于乙醇。木薯吸附剂表面结构紧密。木薯吸附等温线属于气体吸附等温线的第Ⅱ种类型吸附等温线。固定床恒温吸附柱实验表明:木薯吸附剂具有良好的吸附性能,可作为吸附剂制无水乙醇。生产能力为0.1496~0.2143g99.5%(w)乙醇/g木薯吸附剂。气速低,生产能力提高,但过低的气速也会降低生产能力。气速升高,床层压降越大,传质阻力越大吸附传质区变长,吸附剂的使用效率变低。床层高度升高床层压降增大,一定范围内可提高平衡吸附量。颗粒小的吸附剂相对比表面积大,能增加产品的产量。但颗粒之间的空隙较小,也容易造成压降变大,增加吸附过程的动力能耗。工业生产中应根据需求选择合适的气速、粒度和装填高度。由实验可知,采用木薯作为吸附剂吸附制无水乙醇具有良好的工业应用前景。