利用农作物秸秆制备甲烷的研究

【摘要】：随着煤、石油和天然气等化石能源的危机，人们逐渐把目光转向生物质能源，其中甲烷就是一种新型的、洁净的生物质能源，我国又是一个农业大国，因此利用农作秸秆制备甲烷就显得势在必行。针对秸秆厌氧发酵产生甲烷的工艺，本文从以下几个方面做了研究： 1.不同碱预处理对玉米秸秆厌氧发酵系统的影响。实验时选用NaOH、KOH和CO(NH3)三种碱作为玉米秸秆的预处理剂，在不同预处理用量和不同有机负荷率下进行实验研究，分析比较了它们对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷能力的影响，发现NaOH对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷能力的影响最大，因此确定NaOH作为玉米秸秆的预处理剂。 2.预处理剂NaOH的优化实验。实验时从预处理剂用量、预处理温度和预处理时间三方面对NaOH预处理玉米秸秆进行优化实验，研究结果为：（1）预处理剂用量：与未经NaOH预处理的玉米秸秆相比，预处理过的玉米秸秆在日产气量、累积产气量、甲烷含量方面都有较大提高，综合比较各方面因素，确定2﹪NaOH用量为适宜预处理剂用量。（2）预处理温度：预处理温度为10℃和30℃情况下，玉米秸秆厌氧发酵产气效果较好，且这两者之间并无明显差别，但温度为10℃时，玉米秸秆厌氧发酵的消化效率更高，因此确定温度10℃为适宜的预处理温度。（3）预处理时间：综合比较了预处理3天和6天的玉米秸秆在各方面都无明显差别，但添加的NaOH在3天后基本被消耗完，因此确定3天为适宜预处理时间。因此预处理剂NaOH的优化参数为2﹪的用量、温度为10℃、预处理时间为3天、有机负荷率为65g·L-1。 3. NaOH预处理玉米秸秆的机理研究。实验时采用扫描电镜和傅里叶红外光谱分析手段，从秸秆的微观物理结构、化学结构和化学成分三方面对2%NaOH预处理过的玉米秸秆进行研究，探讨其内在机理，发现：（1）预处理后的玉米秸秆，我们用扫描电镜观察可知，2%NaOH预处理过的玉米秸秆，表面变得粗糙，结构被破坏明显，并且细密的结构变的疏松，出现了分层、脱落现象。（2）预处理后的玉米秸秆，其化学结构明显发生了变化，木质素-碳水化合物结合而成的复合物中连接键被破坏并且断裂，是纤维素和半纤维素在包裹中被释放出来，提高了纤维素接触厌氧发酵菌的机会，是玉米秸秆厌氧发酵产气率提高的基本原因。（3）预处理后的玉米秸秆，其纤维素、半纤维素和木质素的含量有了很大的变化，纤维素含量由原来的30.5%变为25.4%，半纤维素含量由原来28.2%变为21.7%，木质素含量由原来12.5变为10.5%，总含量由原来71.2%变为57.6%，降低幅度分别为20.08%、29.95%、19.05%、23.61%。经过NaOH预处理的玉米秸秆，物理结构、化学结构和化学成分这三个方面所发生的上述变化，对玉米秸秆厌氧发酵产气率的提高起到了决定性作用，也是NaOH预处理玉米秸秆的内在机理。 本文对玉米秸秆产甲烷工艺的研究，对秸秆的综合利用、减少秸秆对环境的污染和新能源的开发具有重要的意义，结合当代中国的国情，在我国推广玉米秸秆制备甲烷的工艺具有十分光明的前景。 【关键词】：玉米秸秆 厌氧发酵 碱预处理 甲烷 NaOH
【学位授予单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ221.11
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-24
• 1.1 研究背景8
• 1.2 甲烷的研究现状8-9
• 1.3 秸秆的产生﹑结构特点及处理现状9-17
• 1.3.1 秸秆的产生9-10
• 1.3.2 秸秆的结构特点10-15
• 1.3.3 秸秆的利用现状15-16
• 1.3.4 秸秆的处理方法16-17
• 1.4 秸秆的厌氧发酵系统17-21
• 1.4.1 厌氧生物处理过程17-19
• 1.4.2 厌氧发酵系统的基本原理19-20
• 1.4.3 影响厌氧发酵的主要因素20-21
• 1.5 秸秆厌氧发酵制备甲烷过程中存在的技术问题21-22
• 1.6 研究目标与内容22-24
• 1.6.1 研究目标22
• 1.6.2 研究内容22-24
• 第二章 不同碱预处理对玉米秸秆厌氧发酵系统的影响24-34
• 2.1 实验材料与实验方法24-28
• 2.1.1 实验材料24-25
• 2.1.2 实验方法25-27
• 2.1.3 厌氧发酵实验27
• 2.1.4 分析方法27-28
• 2.2 不同碱预处理的玉米秸秆对厌氧发酵的影响28-32
• 2.2.1 氢氧化钠（NaOH）28-30
• 2.2.2 氢氧化钾（KOH）30-31
• 2.2.3 尿素（CO（NH3））31-32
• 2.3 实验结果分析比较32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 预处理剂 NaOH 的优化实验34-43
• 3.1 实验材料与实验方法34-35
• 3.1.1 实验材料34
• 3.1.2 实验方法34-35
• 3.2 预处理剂用量35-37
• 3.2.1 日产气量35-36
• 3.2.2 累积产气量36
• 3.2.3 甲烷含量36-37
• 3.3 预处理温度37-39
• 3.3.1 日产气量37-38
• 3.3.2 累积产气量38-39
• 3.3.3 甲烷含量39
• 3.4 预处理时间39-42
• 3.4.1 日产气量40
• 3.4.2 累积产气量40-41
• 3.4.3 甲烷含量41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 NaOH 预处理玉米秸秆的机理研究43-50
• 4.1 实验材料及方法43-44
• 4.1.1 实验材料43
• 4.1.2 实验方法43-44
• 4.2 实验分析44-49
• 4.2.1 物理结构44
• 4.2.2 化学结构44-48
• 4.2.3 化学成分48-49
• 4.3 本章小结49-50
• 第五章 结果讨论与展望50-53
• 5.1 结果50-51
• 5.2 创新点51
• 5.3 展望51-53
• 参考文献53-59
• 攻读学位期间发表文章59-62
• 致谢62

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