【摘 要】
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自上个世纪以来,随着化石燃料的大量消耗,资源逐渐匮乏,为了缓解能源短缺的问题,可再生能源生物质热解炭引起了广泛的关注。生物质热解炭是在无氧的条件下经过高温裂解所得到的炭材料。生物质炭材料在农业、环境、能源等方面都得到充分的研究和应用,这主要归因于其特有的多孔结构、高孔隙度、较大的比表面积以及极强的吸附能力。但是随着热解温度的改变,生物质炭的孔隙结构同时也会发生改变直接影响其结构和用途。为研究生物质
【基金项目】
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国家自然科学基金项目，应拉木纤维细胞壁木质素沉积及其对微纳结构影响（32171709）； 湖南省自然科学杰出青年基金项目，木材胶质纤维细胞壁及胞间弱界面研究（2020JJ2058）；
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自上个世纪以来,随着化石燃料的大量消耗,资源逐渐匮乏,为了缓解能源短缺的问题,可再生能源生物质热解炭引起了广泛的关注。生物质热解炭是在无氧的条件下经过高温裂解所得到的炭材料。生物质炭材料在农业、环境、能源等方面都得到充分的研究和应用,这主要归因于其特有的多孔结构、高孔隙度、较大的比表面积以及极强的吸附能力。但是随着热解温度的改变,生物质炭的孔隙结构同时也会发生改变直接影响其结构和用途。为研究生物质热解整个过程中孔隙结构的变化规律,本文以针叶材杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、阔叶材杨木（Populus）、农林废弃物油茶壳（Camellia Oleifera shell）为研究对象,利用热重法、傅里叶红外光谱、X射线衍射以及拉曼光谱表征生物质材料热解过程中成分特性的变化,运用气体吸附法、压汞法、扫描电镜探究生物质材料在干燥阶段、热解阶段和炭化阶段的孔隙结构的变化规律,最后采用分形理论定量地表征孔隙结构的复杂性程度。主要研究内容如下:（1）针叶材杉木在炭化过程中,孔隙结构由墨水瓶状孔逐渐向锥形孔转变,细胞结构发生较明显的收缩变形;比表面积在800℃达到最大值461.35m2/g,在300℃达到最小值1.11 m2/g;平均孔径与孔隙度均呈现先增后减的趋势,分别在400℃和600℃达到最大值645nm和65.02%。对于孔径（d）＜0.05μm的孔隙,随着温度升高,孔隙复杂程度增加;对于0.05μm＜d＜3μm的孔隙,在600℃孔隙结构最为复杂;对于d＞3μm的孔隙,分形维数的缓慢增大,在300℃孔隙结构最为复杂。（2）阔叶材杨木的孔隙结构较为复杂,随着热解温度的改变,孔型由孔径较小的墨水瓶孔逐渐向孔径较大的锥形孔转变,导管产生较大变形,细胞壁出现较多凹坑;比表面积在800℃达到最大值401.82m2/g,在103℃达到最小值0.52m2/g;平均孔径在400℃达到最大值716nm;孔隙度在绝干状态高达81.09%。对d＜0.05μm的孔隙,随热解温度升高分形维数呈增大趋势,在1200℃为2.984,孔隙结构最为复杂;对于0.05μm＜d＜3μm的孔隙,分形维数逐渐减小,孔隙复杂程度降低,对于d＞3μm的孔隙,分形维数稳定在2.75左右。（3）油茶壳孔隙结构有异于杉木和杨木,以薄壁细胞为主,随热解温度升高,细胞壁逐渐坍塌,孔隙结构变形较为严重。比表面积在1400℃达到最大值213.51 m2/g,在绝干状态下达到最小值0.264 m2/g;平均孔径在800℃达到最大值3304.5nm;孔隙度在600℃达到最大值73.2%。对于d＜0.05μm的孔隙,随着温度升高,孔隙复杂程度增加;对于0.05μm＜d＜3μm的孔隙,分形维数逐渐减小,孔隙复杂程度降低,对于d＞3μm的孔隙,分形维数稳定在2.7左右。（4）对于生物质的成碳过程,在原始状态下,三种材料均呈墨水瓶孔,随着热解温度的改变,孔型由墨水瓶孔-圆柱形孔-锥形孔转变。三种材料相比,杉木的最大比表面积较大,杨木的孔隙度较大,油茶壳的平均孔径最大。三种材料中d＜0.05μm的孔隙复杂程度明显大于d＞0.05μm的孔隙。
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