夏威夷果殼熱解行為和動力學研究

夏威夷果殼熱解行為和動力學研究授課人：XXXX20XX.XX夏威夷果殼熱解行為和動力學研究目錄夏威夷果殼熱解行為和動力學研究制作者：李昆隆指導教師：徐敏【內(nèi)容摘要】：夏威夷果殼是種典型的生物質廢棄物，本文采用熱失重分析法考察夏威夷果殼在氮氣氣氛和不同升溫速率(5，10，20，30,℃/min)下的熱解特性，并利用Kissinger法計算夏威夷果殼熱解過程的表觀活化能。分析和計算結果表明：夏威夷果殼熱解過程可分為4個階段；隨著升溫速率的提升，TG和DTG曲線均向高溫側移動，熱解特征參數(shù)均增大；利用Kissinger法求解出的平均表觀活化能分別為243.60kJ/mol【關鍵詞】：夏威夷果殼熱解熱重分析1、項目背景夏威夷果殼熱解行為和動力學研究生物質作為可再生能源，種類多，數(shù)量極豐富，可作為化石能源的替代品［1］相對化石能源，生物質能是一種清潔能源，對生態(tài)環(huán)境不會造成不良影響夏威夷果因其具有很高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，被譽為"堅果之王"，受到人們喜愛近年來我國夏威夷果的種植面積不斷擴大2019年，我國澳夏威夷果總產(chǎn)量達4.9萬噸，夏威夷果殼占殼果重量的2/3，果殼堅硬，表面致密,含有豐富的纖維素和半纖維素，國內(nèi)外對夏威夷果殼綜合回收利用雖有報道，但研究較少，開發(fā)利用不足，在生產(chǎn)上大部分夏威夷果果殼被遺棄或焚燒，造成資源的浪費和污染環(huán)境開展夏威夷果殼的資源化技術研究，對減少污染排放、固廢循環(huán)利用有積極意義夏威夷果殼熱解行為和動力學研究生物質熱解是一種高效的生物質轉化途徑，可以將秸稈、木廢料、果殼等生物質原料在氮氣、二氧化碳等氣氛中熱化學轉化為固體、液體和氣體等高品質燃料。生物質熱解過程反應復雜，熱解動力學又是研究熱解過程參數(shù)對原料轉化率的重要手段，通過對動力學分析可深入了解熱解反應的過程及機理，從而促進熱化學轉化技術的開發(fā)[2]熱重分析(TGA)可以更好地量化燃燒、動力學和熱力學參數(shù),從而了解生物質的熱降解過程[3]國內(nèi)外學者對不同生物質的熱解過程及熱解動力學進行了不同程度的研究趙歡歡[4]開展了玉米秸稈熱解特性及動力學分析，采用Flynn-Wall-Ozawa和Kissinger-Akahira-Sunose兩種等轉化率法計算玉米秸稈熱解的活化能，并結合主曲線法和Coats-Redfern(C-R)法探討了玉米秸稈熱解遵循的機理方程夏威夷果殼熱解行為和動力學研究01楊坤彬等[6]研究了升溫速率對椰殼的熱解特性的影響，結果表明升溫速率對椰殼的熱解的失重率及熱解產(chǎn)物得率都有明顯影響05目前，關于瓜子殼、杏仁殼、核桃殼等果殼的熱解特性都有著大量的研究，但夏威夷果殼的熱解特性研究報道不多0203許細薇等[7]研究了油茶殼熱解特性及動力學分析，發(fā)現(xiàn)油茶殼的熱解過程分成3個階段，主熱解階段在250~350℃之間04分別用Ozawa法和Friedman法對油茶殼熱解進行了動力學計算，發(fā)現(xiàn)隨著熱解轉化率的增加，活化能分別在139~270kJ/mol和151~302kJ/mol范圍內(nèi)楊坤彬等[6]研究了升溫速率對椰殼的熱解特性的影響，結果表明升溫速率對椰殼的熱解的失重率及熱解產(chǎn)物得率都有明顯影響夏威夷果殼熱解行為和動力學研究項目開展夏威夷果殼的熱解行為研究，研究其熱解動力學規(guī)律，為熱處理資源化回收利用提供理論基礎2、實驗部分2.1實驗材料和儀器購買夏威夷果，取出果仁后，將果殼超聲洗凈后，烘箱干燥4小時去除水份，用破碎機將果殼破碎到60目以下，篩分后取60-120目的物料作為實驗原料，放入干燥器內(nèi)備用。如圖1所示夏威夷果殼熱解行為和動力學研究熱重實驗在耐馳-STA449熱重分析儀上進行，紅外譜圖在SpectrumTwo紅外光譜儀測試2.2實驗過程熱重分析：打開氮氣閥，轉動旋鈕調(diào)節(jié)氮氣壓強0.2mpa至0.3mpa，穩(wěn)定20分鐘以上。首先放入空的氧化鋁坩堝穩(wěn)定后清零，然后取一定量的樣品放入氧化鋁坩堝中穩(wěn)定稱重。設置儀器分別以5℃/min、10℃/min、20℃/min、30℃/min的升溫速率從30℃加熱到900℃，進行熱重實驗，最后得到不同升溫速率條件下的熱重曲線(TG)和微商熱重曲線(DTG)紅外測試：打開SpectrumTwo紅外光譜儀(見圖2-3左)，設置儀器參數(shù)為分辨率8cm-1，樣本掃描次數(shù)為16次，背景掃描次數(shù)為16次，采用的光譜范圍為4000-650cm-1。將溴化鉀藥品取適量于坩堝中細細研磨，放入模具中壓緊，放在壓片機上旋緊螺旋，調(diào)節(jié)壓片機壓力為1.5ton停留1到2分鐘進行壓片，制作空白樣品后放入儀器中掃描背景。然后將樣品放入溴化鉀(樣品：溴化鉀=1:100)中用研缽研磨混合，壓片，然后放入儀器掃描樣品夏威夷果殼熱解行為和動力學研究NEXT2.3熱解動力學分析熱解動力學分析是通過熱重曲線和熱解動力學模型函數(shù)研究熱解動力學，計算熱解動力學參數(shù)，采用Kissinger法計算熱解動力學參數(shù)3、實驗結果與討論3.1熱解特性研究在升溫速率為20℃/min的條件下，測試了夏威夷果殼的熱重曲線(TG)和微商熱重(DTG)曲線，結果如圖2和圖3所示圖2夏威夷果殼在20℃/min升溫速率條件的TG曲線圖3夏威夷果殼在20℃/min升溫速率條件的TG曲線由圖2和圖3可見，隨著溫度的逐漸升高，夏威夷果殼質量逐步降低，在600℃之后果殼質量曲線下降趨于平緩，900℃是熱解殘渣質量為28.97%，熱解過程基本完成從TG和DTG曲線綜合分析，夏威夷果殼的熱解過程可分為4個階段夏威夷果殼熱解行為和動力學研究第一階段(50-160℃)：干燥脫水失重階段，主要發(fā)生是水分的揮發(fā)導致整體質量有所下降第二階段(200-330℃)：熱分解第一段(副熱解階段)，在這一變化區(qū)間TG曲線下降，DTG曲線上對應出現(xiàn)一個吸熱失重峰，在290℃左右達到峰值，此溫度下失重速率達到10.05%/min這是因為果殼等生物質一般是由木質素、纖維素與半纖維素組成[8]，而半纖維素熱解溫度相較于纖維素來說較低，所以此溫度區(qū)間主要是半纖維素裂解產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳等氣體同時產(chǎn)生乙酸、木焦油等液體，從而導致質量的降低第三階段(330-380℃)：熱分解第二段(主熱解階段)，此溫度區(qū)間，夏威夷果殼熱解TG曲線失重最為明顯，DTG曲線出現(xiàn)了第三個峰，在345℃時達到峰值，此溫度下失重速率達到14.35%/min，同時也達到了整個熱解過程的最高值夏威夷果殼熱解行為和動力學研究在這個過程中熱解反應強烈主要發(fā)生的主要是果殼纖維素的裂解，其分解產(chǎn)物基本和半纖維素相同，主要是裂解產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、乙酸、木焦油等[9]第四階段(400-900℃)：緩慢炭化階段，在400℃之后由于主要的有機與