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摘 要

本课题采用自制催化剂LCY氧化降解秸秆，对其工艺条件进行优化。通过单因素法考察了影响秸秆氧化降解的6个因素：温度、时间、固固比、固液比、压力、搅拌转速，得到氧化降解秸秆的最佳条件。实验结果表明：最佳工艺条件为：温度140 ℃；压力3 MPa；固液比1:20；固固比4:3；搅拌转速300 r/min，反应时间2 h，在此工艺条件下，秸秆的降解率高达52 %。该工艺不同于传统的氧化降解方法，且具有操作简单，产物易分离，催化剂可重复利用等优点，为秸秆的资源化利用提供了一条绿色环保的有效途径。

关键词：自制催化剂 秸秆 氧化

The Oxidative Degradation of Straw

ABSTRACT

The homemade catalyst was used for catalytic oxidative degradation of straw, by doing this can we optimize the process conditions and get the best degradation conditions of straw. Six factors that would affect the oxidative degradation of straw was investigated through single factor method, These factors are temperature, reaction time, pressure, solid-solid ratio, solid-liquid ratio and stirring speed. The experimental results showed that the optimum technological conditions is that temperature is 140 ℃; pressure is 3 MPa; solid-liquid ratio is 1:20; solid-solid ratio is 4:3 ratio; stirring speed is 300 r/min, reaction time is 2 h, the degradation rate of straw is as high as 52 %. The process is different with the traditional method of oxidative degradation, and has the advantages of simple operation, easy separation of products and catalyst can be reused. This provides an effective way of green environmental protection for the straw utilization.

Keywords：Homemade catalyst; Straw; Oxidation

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 前言 1

1.2 秸秆的结构与组成 1

1.3 秸秆降解的方法 2

1.4 秸秆氧化降解的研究 3

1.5 本课题的研究目的和意义 4

第二章 实验部分 6

2.1 实验材料及仪器 6

2.1.1 实验材料 6

2.1.2 实验装置 6

2.1.3 实验仪器 6

2.2 实验方法 7

2.2.1 实验内容 7

2.2.2 分析方法 7

2.3 结果与讨论 7

2.3.1 固固比对秸秆氧化降解率的影响 7

2.3.2 压力对秸秆氧化降解率的影响 8

2.3.4 固液比对秸秆氧化降解率的影响 10

2.3.5 搅拌速率对秸秆氧化降解率的影响 11

2.3.6 反应时间对秸秆氧化降解率的影响 12

第三章 结论与展望 14

3.1 结论 14

3.2 展望 14

参考文献 16

致谢 18

第一章 文献综述

1.1 前言

传统能源的逐渐减少及价格上涨，迫使人们不断寻找合适的可替代性能源。自然界中广泛存在的木质纤维素类生物质作为一种可代替化石能源和制备化学产品的新材料，不仅来源广泛，而且有巨大的研究应用价值。目前，主要通过化学方法将这些木质纤维素类资源转化为一系列的化工产品，如低聚糖、多元醇、5-羟甲基糠醛等。秸秆在木质纤维素类生物质中占据绝大部分，因而将秸秆类生物质转化为各种化工产品及可用资源已成为当前的研究热点。据统计可知，每年全世界秸秆农作物的总产量超过20亿吨^[1]。我国是一个农业大国，秸秆类资源丰富，而只有少部分秸秆得到充分应用，绝大多数都被废弃、焚烧或填埋，直接焚烧秸秆不仅严重污染大气环境、杀灭土壤微生物，而且造成了资源的重大浪费。每年10月份左右，焚烧秸秆产生的烟尘已经引起了严重的雾霾现象，直接危害人们的身体健康。因此，秸秆资源化利用对我国的能源战略具有重要意义。

当前，秸秆的开发和利用以提供能源为主，而将来的发展方向则趋向于生产精细化学品等。秸秆的降解方法主要酶法、稀酸法、浓酸法及固体酸降解法等，这几种方法普遍存在能耗高、成本高、反应条件苛刻、利用率低、易产生废液等问题。本课题采用氧化的方式降解秸秆，并考察了影响其工艺条件的各个因素。

1.2 秸秆的结构与组成

秸秆的成分包括纤维素、半纤维素、木质素、盐类和灰分等^[2]，其中纤维素、半纤维素和木质素含量最多，约占总质量的4/5。生长环境和原料来源的不同，不同类型的秸秆甚至同种类型的秸秆在组成结构上都会有一定的差异。秸秆的结构较为复杂，细胞壁中存在的木质素和半纤维素中的特定基团能通过共价键相结合形成网状结构，而纤维素镶嵌其中^[3-4]，其结构如图1-1所示。纤维素、半纤维素和木质素这三种组分在自然界的进化过程中都形成了天然复杂致密的生物质抗降解屏障^[5]，难以直接被降解应用。

图1-1 秸秆结构

纤维素由500～25000个葡萄糖单体通过糖苷键连接而成^[6-7]，是一种高分子化合物。纤维素分子中或者相邻分子间的羟基与含氧基团易结合形成氢键^[8]，从而使纤维素整体具有较强的稳定性，变得难以水解^[9]。

半纤维素结构较为复杂，主要由不同类型的五碳糖、六碳糖聚合而成，这些单糖基团之间以糖苷键连接形成半纤维素^[10]，主要糖基有木糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和少量L-鼠李糖、岩藻糖等^［11］，半纤维素的分子量相对较低，且排列松散，没有晶体结构，因而降解比纤维素容易得多。

木质素是一种无定形的芳香类化合物，其基本结构单元主要为对羟苯基结构、愈创木基结构和紫丁香基结构。提取的方法不同，得到的木质素结构也不相同。木质素能在纤维素周围形成隔离层，阻止酸或酶进入纤维素和半纤维素区域，从而影响纤维素的水解效率^[12-13]。

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