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摘 要

本文中选用的水解稻草秸秆的催化剂为强酸性阳离子交换树脂，研究其水解机理，并通过控制反应条件，对其工艺进行优化。通过单因素法考察了影响秸秆水解反应的 4 个因素：反应温度、反应时间、固液比以及原料与催化剂的体积比。通过实验得到的最适反应条件为：在100℃，常压下，使用100目的秸秆颗粒，按照固液比（反应体系中固形物与液体质量比）1∶8、固固比（树脂型固体酸与秸秆质量比）1∶1的比例，反应15 h，在该条件下树脂型固体酸催化水解稻草秸秆反应的水解产率为35.5 %。该新工艺为稻草秸秆的水解利用开辟了一条绿色环保的新途径。

关键词：阳离子树脂 秸秆 降解

Straw degradation mechanism and process optimization studies

ABSTRACT

In this paper,a strong acid cation exchange resin catalyzed hydrolysis of straw,and carried out a preliminary study of its catalytic hydrolysis process. Study of the mechanism of hydrolysis, and by controlling the reaction conditions, and its process optimization Examine the impact of straw hydrolysis four factors：Volume of the reaction temperature, reaction time, ratio and ratio of raw materials and catalysts, The optimal reaction conditions for the experiment: The 100 ℃, under atmospheric pressure, using 100 mesh straw pellets, solid to liquid ratio (the liquid reaction system and the mass ratio of solid content) of 1:8, the solid-solid ratio (resinous solid acid and straw mass ratio) ratio of 1:1, the reaction 15h, the conditions under which resin-based solid acid catalyzed hydrolysis reaction of rice straw hydrolysis yield of 35.5%. The new process for the hydrolysis of rice straw has opened up a new way to use green.

Keywords：Cation resin； straw； degradation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 前言 1

1.2 秸秆的结构特点 1

1.3 国内外秸秆降解的研究现状 2

1.4 秸秆降解的方法 2

1.5 固体酸催化剂研究和进展 3

1.5.1 固体酸的分类 3

1.5.2 阳离子树脂型固体酸 4

1.5.3 固体酸水解机理 4

1.6 本课题的目的及意义 5

第二章 实验部分 6

2.1 实验材料 6

2.1.1 实验原料 6

2.1.2 实验试剂 6

2.1.3 实验仪器 6

2.2 实验方法 6

2.2.1 实验步骤 6

2.2.2 催化剂的回收 7

2.2.3 分析方法 7

2.2.4 糖液中各糖组分浓度的测定 7

2.3 结果讨论 10

2.3.1反应时间对秸秆水解产率的影响 10

2.3.2 反应温度对秸秆水解产率的影响 10

2.3.3 固固比对秸秆水解产率的影响 11

2.3.4 固液比对秸秆水解产率的影响 12

2.3.5 秸秆目数对秸秆水解产率的影响 13

第三章 结论与展望 15

3.1 结论 15

3.2 展望 15

参考文献 16

致 谢 18

第一章 文献综述

1.1 前言

在人类社会对能源需求量日益增加的今天，随着人类社会工业化进程的加速以及人口的迅速增长，能源危机日益严重，石油能源的匮乏以及不容忽视的环境问题，使开发新型能源越来越受到重视。农作物秸秆是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。目前，全世界农作物秸秆年产量超过20亿吨^[1]。我国作为农业大国，秸秆资源丰富，且逐年递增，列世界之首。我国每年产生的秸秆相当于300多万吨氮肥、700多万吨钾肥、70多万吨磷肥，这相当于全国每年化肥用量的1/4，而这些秸秆除了造纸工业方面的利用，绝大多都被废弃或焚烧，直接焚烧秸秆更会释放大量气体严重污染环境、杀灭土壤微生物，造成能源资源的重大浪费^[2]。合理利用秸秆，有利于工业、农业和农村经济的共同发展，因此秸秆的开发利用逐渐引起人们的重视。

1.2 秸秆的结构特点

秸秆中的主要成分有纤维素、半纤维素、木质素、灰分和盐类等,其结构如图1-1所示。由于原料及生长环境的不同，不同种类的秸秆甚至是同种类型的秸秆在组分上都会有一定的差异，在常见农作物秸秆中，这三种组分占总质量分数的70 %~85 % 。在生物质自然进化的过程中这三种组分形成了天然复杂致密的生物质抗降解屏障^[3]。

图1-1 秸秆结构

Fig.1-1Structure of the straw

纤维素是一种复杂的多糖，由8000至10000个D-吡喃葡萄糖基通过β-1,4-糖苷键连接而成天然链状高分子化合物，纤维素分子间复杂的结晶结构使得纤维素具有很强的稳定性而难以水解^[4]。

半纤维素是几种不同类型单糖组成的异质多聚体，糖基主要有D-木糖、D-甘露糖、D－葡萄糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、4-氧甲基-D-葡萄糖醛酸及少量L-鼠李糖、L-岩藻糖等^［5］，半纤维素分子量相对较低，排列松散，无晶体结构，因而降解比纤维素容易得多。采用热解或酸解即可使半纤维素降解为单糖或寡糖，在半纤维素的水解产物中以木糖为主，还含有阿拉伯糖、少量的甘露糖和半乳糖，各水解产物所占比例随原料不同而变化，一般木糖占一半以上^[6]。

木质素是一种广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物。木质素不能水解为单糖，且对纤维素酶和半纤维素酶降解纤维原料中的碳水化合物有空间阻碍作用^[7]。

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