[发明专利]一种快速预测不同类型秸秆类生物质组分含量及光合产氢潜力的方法

摘要

本发明属于农业工程中的农村能源技术领域，公开了一种快速预测不同类型秸秆类生物质组分含量及光合产氢潜力的方法。将不同类型秸秆类生物质分别粉碎后，均匀分散在热重分析仪的样品盘中，在氮气气氛下，测试不同升温速率下40~600℃温度区间的热失重行为；热解活跃区间失重率WL_s‑WL_o越大、残余物含量越低，说明该类型秸秆类生物质中的易降解组分含量越高；热解活跃区间失重率WL_s‑WL_o越大、残余物含量越低、表观活化能越低，说明该类型秸秆类生物质的光合产氢潜力越大。本发明方法，不仅实现了多种产氢用秸秆类生物质组分含量的快速对比，还能依据计算得出的表观活化能数值预测其光合产氢潜力，其预测结果与酶解预处理试验和光合产氢验证试验中所得结论一致。

主权项

1.一种快速预测不同类型秸秆类生物质组分含量及光合产氢潜力的方法，其特征在于步骤如下：（1）秸秆类生物质的粉碎预处理：将不同类型秸秆类生物质分别粉碎至375～8968nm后，干燥备用；（2）对不同类型秸秆类生物质进行热重分析：每一种类型的秸秆类生物质粉，称量8～12mg，均匀分散在热重分析仪的样品盘中，在氮气气氛下，测试不同升温速率下40~600℃温度区间的热失重行为；（3）数据分析：利用热重分析仪自带的数据处理软件包，获得降解特性参数：起始温度To及该时刻的失重率WLo，峰值温度Tp及该时刻的失重率WLp，转变温度Ts及该时刻的失重率WLs，以及残余物含量；而后以各升温速率下的热失重行为为依据，计算不同类型秸秆类生物质的表观活化能；根据所得数据预测不同类型秸秆类生物质的组分含量及光合产氢潜力：热解活跃区间失重率WLs‑WLo越大、残余物含量越低，说明该类型秸秆类生物质中的易降解组分含量越高；热解活跃区间失重率WLs‑WLo越大、残余物含量越低、表观活化能越低，说明该类型秸秆类生物质的光合产氢潜力越大；其中步骤（1）中的秸秆类生物质类型有五种，五中秸秆类生物质分别为玉米秸秆、高粱秸秆、玉米芯、大豆秆和棉花秆，五种秸秆类生物质分别粉碎至1000nm后，干燥备用；其中步骤（2）对五种秸秆类生物质进行热重分析的具体过程为：每一种类型的秸秆类生物质粉，称量10mg，均匀分散在热重分析仪的开式样品盘中；将热重分析仪炉体温度降至室温后，高纯氮气在流速60mL min‑1下通入炉体中，创造惰性气氛，点击运行，升温区间设为40~600℃，升温速率分别为5℃min‑1、10℃min‑1、20℃min‑1、30℃min‑1和40℃min‑1；当达到均衡温度40℃时，等温状态维持1min，待系统稳定后，开始在设定升温速率下、温度区间为40~600℃进行升温降温热重分析过程，取样周期为0.5s；其中，在10℃ min‑1的升温速率下，根据不同类型秸秆类生物质粉体的热失重曲线TG及一阶微分热重曲线，即热失重速率曲线；秸秆类生物质的热解过程主要包括三个阶段：第一阶段是易挥发分的挥发，第二阶段是热解活跃区，第三阶段是热解消极区；秸秆类生物质物质的降解多集中在热解活跃区，并依次是半纤维素、纤维素和木质素的降解；纤维素和半纤维素含量越高，则其热解活跃区温度跨度越大；热解峰值温度低，说明该秸秆类生物质较易降解；失重曲线上出现的肩峰，则是用来说明秸秆类生物质内的纤维素含量和半纤维素含量的比值情况，肩峰越明显，说明纤维素与半纤维素的含量之比越低；残余物含量越低，说明秸秆类生物质中可降解成分越多；热解活跃区从初始温度200℃左右开始，此时则主要为半纤维素的热解，纤维素的降解紧随其后，在170‑350℃的温度区间内，其剧烈降解造成了明显失重，并在320℃左右时，失重速率达到峰值，说明此时秸秆类生物质粉体的热分解速率达到最高；由于半纤维素的降解温度比纤维素低，其“肩峰”易被纤维素降解峰覆盖，因此在曲线中不易观察；第三阶段是热解消极区，温度区间为375‑600℃，此时快速热解后的残余物发生缓慢分解，最后生成灰分和炭；木质素的降解持续时间最长，在曲线中如同快速热解反应的“尾巴”，在易挥发分的挥发阶段和热解活跃区都缓慢发生；不同类型秸秆的热解起始温度、峰值高度、热解活跃区跨度及残余物含量均不相同；纤维素或半纤维素含量越高，热解反应过程中，失重率越大，残余物含量越低。