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甘蔗渣微波裂解制备糠醛及土壤改良剂的研究

曾稳稳  
【摘要】:以木质纤维素为主要成份的农林生物质是陆地上最丰富的可再生资源,它不仅是宝贵的天然高分子材料宝库,其中还蕴藏着丰富的化学能量以及比较齐全的植物营养元素。但是如果不考虑生物质在生态系统循环中的作用,一味的获取则是危险的,只有对生物质进行合理开发,充分利用才能确保人类的可持续发展目标。通过采用不同预处理措施和微波裂解条件,试图在增加蔗渣微波裂解液体产物中糠醛的含量的同时,把残留的生物焦调制成土壤改良剂,让生物焦把大部分的植物养分回田利用,防止因生物质过度开发利用而导致的土壤养分流失和土壤有机质平衡的破坏。 以可再生的木质纤维素蔗渣为原料,采用微波裂解的加工技术对蔗渣进行热裂解,通过对各种方法的比较,最终选定紫外可见分光光度法来测定生物油中的糠醛含量。系统地研究了微波功率,反应时间,催化剂添加量,反应时间对生物油中糠醛含量的影响。当红壤粘粒的添加量介于蔗渣干重的0-200%的情况下,红壤粘粒的添加量为蔗渣干物质重量的100%时,蔗渣裂解糠醛得率达到蔗渣干重的4%,显著大于同组其它处理。 以单因素实验为基础,通过响应面法分析得到最佳的工艺参数为:微波功率900w,时间33.7min,磷酸用量14.7%,红壤用量103.1%。 收集微波裂解的固体产物即生物焦,并对其进行红外光谱分析和扫描电镜分析,结果显示红外光谱中出现了P-O-C脂肪族的伸缩振动峰,木质纤维素中的羟基与磷酸发生了酯化反应,蔗渣焦中有机磷酸酯赋予其缓慢释放磷肥的潜力;加红壤粘粒的蔗渣焦样品红外光谱中还出现较强的Si-C的特征吸收峰,生物焦中形成了稳定性好的有机-无机复合体。经过扫描电镜观察,生物焦疏松多孔,在蔗渣焦和粘粒之间存在既不同于粘粒、又不同于蔗渣焦的物质,说明粘土生物焦中存在有机无机复合物。 酸性的蔗渣焦经过石灰中和成为富含植物养分和有机无机复合体的土壤改良剂。对施用了蔗渣焦土壤改良剂的土壤做了一系列的土壤理化性质测定,包括土壤的有机质含量、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量、阳离子代换量、含水率、pH值。实验结果显示100%的红壤粘粒作为催化剂对吸附裂解产生的有机质效果最好。红壤施用蔗渣焦土壤改良剂增加了土壤的有机质含量、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量、阳离子代换量、含水率、土壤的pH值,白菜盆栽土壤效果最好的一组各理化性质分别是对照组的4.5倍、1.5倍、26.5倍、9.8倍、1.2倍、11.2倍、1.3倍。 通过大豆盆栽实验,白菜盆栽实验,豌豆盆栽实验,萝卜盆栽实验来检验蔗渣焦土壤改良剂实用效果。实验结果显示: 1)粘土添加量为100%时蔗渣焦土壤改良剂的效果最佳; 2)改良效果明显:白菜盆栽之后的土壤进行第二次种植,种植的豌豆表现出明显差异,效果最好的一组的株高、上鲜重、上干重、根湿重、根干重分别是对照组的1.4倍、2.2倍、2.5倍、1.1倍、2.0倍。 3)盆栽大豆出苗率、株高、地上部干重、地下部干重、根瘤数量、单株结荚数分别比对照提高了33.3%、24.3%、115%、60%、326%和267%。盆栽白菜抗旱存苗率、株高、鲜重、地上部干重、根重分别比对照提高2.3倍、0.36倍、12.3倍、6.8倍和5.5倍。 本文将糠醛制备和有机无机复合型生物焦土壤改良剂制备密切结合。是生物质高效利用兼顾土壤肥力养护的一个有益尝试,为生物质炼制事业的可持续发展提供了一条新思路。


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