第一作者

吕邦勇，硕士研究生，上海理工大学能源与动力工程学院。研究领域：生物质能源化利用与材料化转化利用、锅炉灵活性。

通信作者

张守玉，上海理工大学能源与动力工程学院教授，博士生导师。曾作为项目负责人主持了上海市自然科学基金、上海市启明星、上海市地方高校建设项目等上海市科委的科研项目，作为学术骨干参与并完成了国家重点基础研究规划项目（973）（大规模高效气流床煤气化技术的基础研究）子课题项目1项及“十二五”国家科技支撑计划项目（褐煤、低变质烟煤干燥、热解提质新工艺）1项，并参与了973（煤热解、气化和高温净化过程的基础性研究）及863（非熔渣－熔渣两段式煤气化炉）等国家级科研项目的研究工作。主要从事，生物质基成型材料及碳材料制备过程研究、生物质成型燃料制备及其燃烧特性研究；锅炉灵活性研究等研究。迄今在国内外核心刊物及会议共发表论文200余篇，其中作为第一作者及通讯作者发表文章150余篇，SCI收录文章30余篇，EI收录文章70余篇，获批发明专利6项，实用新型专利10项。

题目

水热及水热氧化预处理对棉秆基成型炭和活性炭性能的影响

作者

吕邦勇¹ 张守玉¹ 杨济凡¹

陈旭阳¹ 胡南² 吴玉新³

作者单位

1.上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;

2.长春工程学院,130012 长春;

3.清华大学能源与动力工程系,100084 北京

研究背景

生物质是可再生资源中最丰富的来源之一，具有污染物排放低、来源广泛和价格低廉等优点，发展潜力广阔。但生物质结构松散、能量密度低等缺点限制了其进一步利用。研究发现，生物质经压缩后制备的成型燃料可广泛应用于燃烧、热解、气化等领域，有效地解决上述问题。同时，生物质也可通过活化等方式制备活性炭应用于污水处理、催化制氢等领域，从而提高其应用价值。然而，由于生物质中的三组分占比固定，且在空间架构上形成了稳定性较强的物化保护屏障，由原料直接制备的成型炭和活性炭品质不佳。因此，本研究拟通过引入水热及水热氧化预处理调整生物质内部组分占比及结构，从而提高成型炭和活性炭的品质。

水热预处理是指在高压反应釜（压力2~25 MPa、150~350oC）中以水为溶剂处理生物质样品的反应过程。水热氧化预处理是在水热预处理的基础上，通过添加氧化剂的方式来增强反应活性，以降低预处理强度。

本文以棉秆为原料，经160~260oC水热及水热氧化预处理后化学活化制备棉秆基成型炭和活性炭，研究了不同预处理方式下棉秆组分的演变行为对成型炭和活性炭产率及理化性质的影响，为生物质农林废弃物的高附加值利用提供理论依据和指导。

摘要

水热及水热氧化预处理可以调整生物质内部组分占比,有效促进生物质资源多元化利用。以棉秆为实验原料,经160 ℃～260 ℃水热及水热氧化预处理后制备成型炭和活性炭,并使用范式法、热重分析和X射线光电子能谱等测试手段,分析了水热及水热氧化预处理后生物质内部组分的演变对棉秆基成型炭和活性炭的产率、理化性能的影响。结果表明:水热及水热氧化预处理后棉秆中半纤维素和纤维素的分解有利于成型炭的产率和能量密度的增加;与水热预处理相比,水热氧化预处理进一步提高了成型炭的产率及热值,可在一定程度上降低预处理强度;棉秆基活性炭的总产率受预处理产率和活化产率的综合影响;随着水热及水热氧化预处理温度的升高,活性炭总产率呈现先升高后降低趋势,并在预处理温度为200 ℃获得的最大产率分别为36.95%和29.17%;与原料活性炭相比,水热及水热氧化预处理棉秆基活性炭的前驱体表面含氧官能团含量显著提升,有利于后续的氯化锌活化,得到的活性炭比表面积显著增加,吸附性能更优;此外,在180 ℃和200 ℃下水热氧化后的棉秆基活性炭碘吸附值均达到GB/T 13803.2-1999制净水用活性炭的二级品标准。

创新点

阐明了水热预处理和水热氧化预处理后棉秆组分(半纤维素、纤维素和木质素)的演变对棉秆基成型炭理化性质的影响规律,探究了棉秆经水热、水热氧化预处理-ZnCl2活化制备较高品质活性炭的可行性。

结论

1) 随着水热及水热氧化预处理温度的升高,棉秆成型炭产率逐渐增加,具有芳香结构的木质素是影响成型炭产率的关键组分。与棉秆原料相比,水热及水热氧化预处理后成型炭的产率显著增加。与水热预处理效果相比,水热氧化预处理效果更优。随着水热及水热氧化预处理温度的升高,棉秆基活性炭的总产率先增加后减少,并于200 ℃取得最大活性炭产率。

2) 随着水热及水热氧化预处理温度升高,成型炭的热值及能量密度均呈现先升高后降低的趋势,纤维素是影响热值的关键组分。与原料相比,预处理可有效地提高成型炭的热值和能量密度,所得到的成型炭燃烧性能变差,但仍高于商用烧烤炭。与水热预处理相比,水热氧化预处理对所制得的成型炭的热值和能量密度更有效,在一定程度上可降低预处理强度。

3) 随着水热及水热氧化预处理温度升高,活性炭的比表面积和吸附性能均呈先升高后降低的趋势,活性炭前驱体表面含氧官能团是影响活性炭比表面积的重要因素。与原料相比,水热及水热氧化预处理活性炭前驱体的表面含氧官能团含量显著增加,活化效果增加,比表面积和吸附性能增加。与水热预处理相比,水热氧化预处理效果更显著,制得的CS-HTO180/200-A符合GB/T 13803.2-1999制净水用活性炭的二级品标准。

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