2011年第32卷
7月
郑州大学学报(工学版)
JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)
Jul.V01.32
2011
第4期
No.4
文章编号:1671—6833(2011)04—0081一05
废弃糠醛渣的热分析研究
周彩荣,任军亮,徐敏强,石晓华
(郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001)
摘
要:采用热重分析法对废弃糠醛渣的热解行为及其动力学规律进行了研究.分析了糠醛渣在不同
升温速率(5—25℃/rain)下热解的实验结果,发现样品的非等温失重过程是由脱水、半纤维素、木质素、纤维素等有机大分子失重阶段组成.用Flynn-Wall-Ozawa积分法、Friedman微分法、Kissinger最大速率法和gatava.gest丘k积分法对动力学进行处理.从实验中得到了热解动力学的各种参数,并提出糠醛渣热解在不同升温速率下的动力学方程为反Jander方程。三维扩散,3D.
关键词:热解;热分析;糠醛渣;动力学
中图分类号:TQ013.1
文献标志码:A
0
引言
随着社会经济的迅速发展,资源、能源危机日
terial,JapanShimadzuCorporation),糠醛渣(来自
郑州某糠醛厂)进行热重分析前,首先粉碎至(250—380)lxm,然后在105℃下烘干至恒重,取出密封保存,作为样品进行热重分析.1.2实验仪器和实验方法
实验中原料糠醛渣的主要成分采取重量法…测定.
实验采用DTG-60差热一热重分析仪和DSC.60差示扫描量热仪(Shimadzu
Corporation,Ja-
益突出,农林废弃物资源的有效利用已成为世界各国关注的焦点.糠醛渣是生物质废弃物中的一种,它是由农副产品如玉米芯、植物纤维原料经水解生产化工原料糠醛(又名呋喃甲醛)后的废弃物.糠醛渣含有大量的纤维素,是很值得利用的资源.目前我国大多数采取堆积或者挖坑倾倒的方法来处理糠醛渣,既浪费人力财力,污染环境,又占用土地,使这些生物质资源白白浪费….因此,对这些生物质资源的有效利用,避免资源的浪费,变废为宝,具有重要的现实意义.
利用热重分析手段,通过对物质热解过程失重曲线分析,可以了解该物质随温度的失重过程,从而研究其影响因素和热解动力学.笔者用热分析法研究糠醛渣热解行为,并对热解动力学进行研究,分别用Flynn-Wall—Ozawa积分法,Friedman微分法,Kissinger最大速率法和gatava—gest6k积分法对动力学进行处理,建立起糠醛渣热解在不同升温速率下的动力学方程,为设计和开发高效的生物质能转化设备提供理论指导.
pan).实验条件如下:气氛为N2,流量30mL/min;程序控制加热速率分别为5,10,15,20,
25
oC・min~;试样质量约(4.54-0.5)mg.用仅-试验时,先以30mL/min的流量通入N230
氧化铝作参比,测定(DTA.TGA)曲线.
min。将加热区域的空气赶走,分别取一定量的糠醛渣放入热分析仪器中继续以相同流量通入N:,分别以不同的加热速率将原料加热到800℃,系统自动采集数据,根据仪器实验数据以质量与温度、微分质量与温度之间的关系分别做出糠醛渣的TG和DTG曲线.
1.3
理论部分
对于物质热解动力学的研究,已有不少的研
1实验部分
1.1实验样品
0【一A1203(俚一A1203PowerforDTGStandardMa・
究者提出不同的模型汪“,由于糠醛渣主要由纤维素、半纤维素、木质素等有机大分子成分组成,其结构复杂和多元性,因而在热解过程中存在串联
收稿日期:2011一Ol一20;修订日期:201l—04—20
基金项目:河南省科技攻关资助项目(092102210177).
作者简介:周彩荣(1958一)。女,江苏沐阳人,郑州大学教授,博士,主要从事精细有机合成和基础T程数据的研究,
E・mail:zhoucairong@ZZU.edu.cn.
82
郑州大学学报(工学版)
和并行的化学过程,反应过程较为复杂.通常认为热解的反应过程是升温速率、加热温度及热解产物的函数.为了简化处理,固体糠醛渣失重过程的热解反应可简写为:
A(solid)一B(solid)+C(gas)
(1)
A为原料糠醛渣;B为热解后剩余的固体残渣(主要是碳和灰分);C为热解后生成的气体.糠醛渣在受热条件下分解成为凝固相产物和挥发性产物,在热解过程中,反应为不可逆的热分解反应.
假设初始质量为m。的试样在升温速率卢(℃/min)下发生分解,在某一时间t,质量变为m,则分解速率可表示为:
譬:告。’姒算)面2-e”八算,
(2)Lz’
式中:菇=(m。一m)/(m。一m。)为t时间的分解程度,即转化率;m。为样品热分解结束后的残余质量,mg;E为反应活化能,kJ/mol;A为频率因子,即为指前因子,min~;R是气体常数,kJ/mol・K;T绝对温度,K;/(菇)为动力学函数模型,其函数取决于反应类型和反应机制,可反映出反应的机理¨1.
王擎等"1人研究糠醛渣热解动力学时,通过一种型式的变化来找到最合适的反应级数,从而确定其热解的动力学模型.目前,同时采用Flynn-Wall-Ozawa积分法(简称FWO法),Kissinger最大速率法,Friedman微分法和§atava.Sestdk积分法计算热解的各种参数是一种比较成熟的方法…,美国材料与试验协会标准ASTM
E698-01
用Duswalt法(即Ozawa法中的处理方法Ⅱ)或者Kissinger法计算活化能,笔者采取这种方法对糠醛渣热分解动力学进行处理.
Flynn-Wall-Ozawa积分法。积分公式为:
In//-.g[AE,万】-2.315-0.4567面E(3)
FWO法避开反应机理函数的选择而直接求出E值,与其它方法相比较,避免了因反应机理函数的假设不同而可能带来的误差.因此,FWO法往往是用来检验用其它假设反应机理函数方法求出的活化能值,这是FWO法的一个突出的优点.
Friedman-Reich-Levi方程:
ln(譬)=In[根训一ERr
(4)
由ln(卢dx/dt)对1/T作图,用最小二乘法拟合数
据,由斜率求活化能E值,截距求得指前因子A值.
Kissinger最大速率法,方程为:
・n急“㈤一鲁忐
㈤
由In(/3f/砭。。)对1/L。i作图便可得到一条直
线,从直线斜率求E。,从截距求A。.
gatava-gest6k法,积分方程为:
lgG(并)=lg等-2.315-o.4567急(6)
对于每一个固定的成和表1中的每个机理函数G(聋),利用gatava.gestClk法可以分别计算出其对应的E。和A。值.通常,要求保留满足条件0
<E,<400
kJ/mol的E。及其相应的lg(A.);分别
用这些E。与FWO法计算出的E。相比较,找出满
足l(E。一E。)/Eol≤o.1的E。,再分别用培(A。)
与Kissinger法求得的fg(A。)相比较,找出满足
I(19A。一lgAk)/19A。I≤0.2的la(A.).这样就可
以得到其较可能的最概然机理函数.gatava.gest(1k法由于推导严密、判断有据,因此一般认为此法求出的结果比较合理.表1是30种固体热解常用机理函数的积分和微分形式.
2数据处理及结果与讨论
2.I糠醛渣成分分析
糠醛渣主要由纤维素、半纤维素(少量)、木质素以及少量的提取物和水分灰分组成的,对糠醛渣进行化学分析(见表2).2.2糠醛渣的热重分析曲线讨论
谭洪等"1人研究了生物质3种主要成分的热解失重规律,得出3种成分的热解先后顺序为半纤维素,木质素和纤维素,以及其失重的比例.本实验对糠醛渣热分析,发现其热解顺序与此相一致,如图l所示.糠醛渣的失重曲线上主要有两个
峰,160℃以前主要是失水过程,失重量约占原料的6%一8.5%.随着温度的升高,在200—550℃是明显失重的阶段,这个阶段是3种主要成分失重相互叠加失重的结果,其中在200—450℃的区域反应速率较快,失重量约占热解失重量的65%;450—550℃左右的区域,热解反应继续进行,但是与前一阶段相比速率明显缓慢,相应地热解机理也发生了变化.在200—250℃主要是半纤
维素的热解,糠醛渣中半纤维素的含量很低,所以这部分失重不明显;250—550℃主要是木质素和纤维素的热解,纤维素的失重远远高于木质素;随
第4期周彩荣.等:废弃糠醛渣的热分析研究
83
着温度的升高,在300℃时纤维素开始热解,390℃左右时纤维素和木质素的热解失重速率都达到最大值,这时纤维素失重占失重的主导地位;450℃左右半纤维素和纤维素热解基本结束;450℃以后主要是木质素的失重.从图中还可以看出,在加热温度达到550℃时,TG和DTG曲线都趋向于平缓.
从不同的升温速率下糠醛渣热解的TG曲线看出.升温速率越大,曲线越向右偏移,主要是升温速率越大,热滞后现象越严重,颗粒内外温度梯度越大,颗粒与外部环境之间的温差越大,求得的活化能和频率因子误差越大,所以失重曲线向右
移,即高温区移动.
襄1各种机理函数的“jJ和善Iz)形式
Tab.1
NoI2,
00
100
200
300
400
500
600
700
{蛔咯
8∞
温度,℃
田1糠醛渣在不同升温速辜下失重和失重建宰曲蛀Fig.1
TGandDTGCUFV%offurors!residue
at
differentheatingrates
Themechanismfunctionforbothf【j)andglrg(z)
No15-181920
“z)
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45
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24
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9-12:1I/一n{))(]1一-(.x.)I,‘一h【一ln(1一z)]n
13—14
l/2n.1=/32/.3l/,4
R=2,3
28-30(1/a)(1一*)一(‘+”H=2.3,4
R(1一z)‘‘一1’711一(1一*)17‘
裹2糠醛渣的化学分析
Tab.2
Chemicalanalysisoffoduralresidue%
0%,反应终止温度时,其#=100%.通过热分析数据,分别取转化率x为0.05—0.85所对应的温度代人方程(3)一(6)中计算.用Kissinger最大速率法计算的活化能和指前因子分别为E。=
134.04ld/mol。lnA。=19.650.993
样品水分灰分纤维索半纤维素木质素其它
4.16
37.61
7.13
26.15
1494
糖醛渣10.01
从不同的DTG曲线看出,升温速率为25℃/rain的最大失重率约是升温速率为10℃/rain的最大失重率的5倍,而所需时间仅是升温速率lO℃/rain的一半左右.这说明升温速率越大,热解越快.达到最大热解速率的时间越短.但是对该阶段的失重总量影响不是很大.
2.3
8~,复相关系数R2=
4.Kissinger最大速率法通过非等温曲线的
峰值点就可以粗略地估算出热分解时的活化能值,通常其计算结果为热失重速率最大或扫描量热测定吸放热最大时的活化能值.
表3是采用FWO法和Friedman法计算的活化能数值.由FWO法和Friedman法计算出的活化
能集中在90一190
Ll/mol之间,(E。=80,ll
热解动力学参数的确定
热分解动力学主要是考察物质热解主要阶段
的行为”””o.由图1可知,160℃前主要是发生了原料脱水的过程,由于主要考察半纤维素、木质素和纤维素3种主要成分的热分解动力学规律,因而设温度160℃为反应失重的起点,即z=
kJ/m01),随着转化率的提高,活化能也在提高.
通过比较两种方法计算出的活化能可以得出,Friedman法计算出的结果要稍微高于FWO法计算出的结果.其中FWO积分法和Kissinger最
郑州大学学报(工学版)
2011矩
大速率积分法计算出的结果相吻合,可以确定为
134±30
程,致使几种方法计算出的活化能数据有一定的偏差和随着转化率的变化而发生波动.
kJ/tool,而且相关系数较好.由于糠醛渣
中成分复杂,导致其热解是一个复杂的热分解过
表3
Tab.3
F.W.0method
FWO法和Friedman法计算的活化能
FWOandFriedmanmethod
F.W—Omethod
Friedmanmethod
Theactivationenergyby
Friedmanmethod
表4是采用茑atava.§est6k法来计算所得到数值,利用此法可进行机理函数的推导,从茑atava・§est6k法计算的活化能中找到符合以下条件的E和lgA。从而确定可能的最概然机理函数.①0<
Es<400
根据表4中的计算结果,可得到7号数据比较符合以上条件,而且相关系数比较高.由此推导出糠醛渣热解的最可能过程是7号机理函数,其机理为反Jander方程,三维扩散,3D.由表2可知,机理函数的积分形式和微分形式分别为[(1+髫)“’一1]2和3/2(1+x)273[(1+茗)Ⅳ3—1].
kJ/mol;②I(Eo—E,)/EoI≤0.1,其中
Eo=80.11
kJ/mol(要)l(19As--IgAk)/lgAsl≤o.2
表4蠡atava.季est6k法计算的活化能和指前因子
Tab.4
Theactivationenergyandpre.exponentialfactorby叠atava-誊est6method
l65.355.67
0.99020.9936
82.8l5.900.9894
0.99300.99410.99560.9956
86.4593.17
95.84
6.246.596.19
6.7l
0.992487.4394.1796.85
6.330.993l
0.9957
88.33
95.12
6.43
6.776.37
0.9937
0.99570.9962
●2345678
9
287&8922
7
72
89.32
91.9l
6.245.846.36
1.62
0.99520.99590.9968
6.676.27
5.265.761.271.287.76
7.41
0.99460.99600.99600.995l0.9972
0.996297.82
679l
O0
97.1524.2823.3274.26
101.2525.3124.3l77.66
102.276.79
1.941.95
7.7l
0.9967103.28
0.9967
6.882.032.047.8l8.58
4.423.08
0.9965
0.9965
1.83
1.848.6l
0.996825.5690.99630.99960.99520.99680.99680.99680.9968
24.5780.59120.19
25.8224.8l81.43121.33
55.9537.3027.97
1.637.298.07
3.97
0.99460.9962
0.9965
0.991l0.99390.996l0.996l
0.99640.99150.99340.99570.99570.99570.99570.9957
0.9957
M
4
0.9960114.520.99670.9967
0.9967
0.9958119.1312.440.99650.99650.9965
0.9965
8.494.322.992.361.78
9■79沦4
l
3.52
2.26
52.7235.1526.36
17.57
54.9036.6027.4518.13
4.232.882.251.66
55.4236.9427.7118.47
mU屹n
32
l62.66
2.041.47
8758
1.68
1.14
0.996l0.9961
0.9961
2.451.87
0.9967
18.65
198.9615.7712.4399.48
O.9l7.50
0.9967210.910.9967
13.18
16.75
1.23
0.9965219.6017.31
0.9965
0.9968221.6817.320.9968
0.99680.99680.9963
13.85110.84
1.52
223.8317.4213.98111.9l
1.628.65
13.72
109.82164.75
1.410.99610.9961
0.99610.99650.9602
0.9967105.458.130.99650.99650.99460.9498
0.9720
8.4912.88
3.35
8.56
0.99570.99570.9964O.96180.9806
0.94120.99650.99650.9937
149.2211.6l
44.0l
0.9967158.1812.4l0.99510.9518
0.9733
166.2612.9149.1428.8335.1l24.1551.1352.17
43.71
167.8713.0149.63
29.1735.49
2.67
1.70
46.64
27.12
3.10
2.072.441.793.103.07
48.6328.4234.6623.7950.6251.65
43.2264.84
3.452.41
2.792.12
3.55
2.512.89
25.6331.2821.4445.8346.77
39.0858.62
2.292.682.003.363.333.16
4.671.76
0.95630.97700.93420.9968
0.99440.99240.99240.99240.9924
2.06
1.44
33.13
22.67
0.9797O.93ll
0.9294
0.92660.9956
0.9912
24.452.223.553.523.364.871.971.58
2.662.632.503.90
1.22O.87
0.996048.570.99630.99020.9902
0.99020.9902
3.463.423.26
4.771.881.49
0.9967551.640.99670.99350.9935
0.99350.9935
49.5841.4062.1l20.70
13.80
52.6844.1666.2422.08
14.72
2.9l4.381.561.19
0.98940.98940.98940.9894
65.57
21.85
0.99370.99370.9937
19.51
21.6l
14.40
13.02
1.38
14.57
第4期周彩荣,等:废弃糠醛渣的热分析研究
续表4
芦:5℃/rain
p=10
10.3526.0467.45
oC/min
85
卢=15oC/min
厣=20
10.9226.8770.58
oC/min
卢=25。C/min
堕!
27282930
墨
9.77
!鲤
0.73
墨:
0.99020.8982
墨堡生
1.042.48
墨:
0.9894
墨
10.8026.8I70.04
!鲤
1.222.67
墨:
0.99240.8895
墨超生
1.33
2.765.711.73
墨:
0.9935
0.88230.98560.8823
墨
11.04
27.0771.2413.53
!醴
1.43
2.855.801.82
墨:
0.99370.8802
0.98500.8802
24.5363.6l12.26
2.124.86
1.13
0.8993
0.99050.8993
0.99050.8982
5.36
1.45
5.“0.9881
1.62
13.02
13.400.889513.43
[5]
3
REICHL,LEVIDanalysisinpolymermer
结论
(1)通过不同升温速率对糠醛渣进行DTA—
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of
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Study
on
TheThermalActionofFurfuralResidue
ZHOUCai・rong,RENJun—liang,XUMin—qiang,SHIXiao-hua
(School
ofChemicalEngineering
andEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)
Abstract:Pyrolysisthermalcharacteristicsandkineticsoffurfuralresidue
metricanalysis.Anumberofexperimentswithdifferentheating
were
investigatedusingthermogravi・
rates(5~25℃・rain“)wereperformedand
non-
analyzedbythermogravimetricanalysisanddifferentialscanningcalorimetry.Theresultsshowedthattheisothermalweight-lossprocessofsampleskineticparameters
were
are
composed
ofdehydration,hemicellulose“gninandcellulose.The
calculatedbymeansofFlynn・Wall—Ozawamethod,Friedmanmethod,Kissingermeth—
parametersofnon—isothermaldecompositionkinetics
to
od,and§atava.gest6kmethod,respectively.Thedynamic
were
obtainedaccording
to
theexperimentaldataforfurfuralresidues,andfound
beanti—Janderequationof
whichisthreedimensionaldiffusion,3D.
Keywords:pyrolysis;thermogravimetricanalysis;furfuralresidue;kinetics
废弃糠醛渣的热分析研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
周彩荣, 任军亮, 徐敏强, 石晓华, ZHOU Cai-rong, REN Jun-liang, XU Min-qiang, SHI Xiao-hua
郑州大学化工与能源学院,河南郑州,450001
郑州大学学报(工学版)
Journal of Zhengzhou University(Engineering Science)2011,32(4)2次
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引用本文格式:周彩荣. 任军亮. 徐敏强. 石晓华. ZHOU Cai-rong. REN Jun-liang. XU Min-qiang. SHI Xiao-hua 废弃糠醛渣的热分析研究[期刊论文]-郑州大学学报(工学版) 2011(4)
2011年第32卷
7月
郑州大学学报(工学版)
JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)
Jul.V01.32
2011
第4期
No.4
文章编号:1671—6833(2011)04—0081一05
废弃糠醛渣的热分析研究
周彩荣,任军亮,徐敏强,石晓华
(郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001)
摘
要:采用热重分析法对废弃糠醛渣的热解行为及其动力学规律进行了研究.分析了糠醛渣在不同
升温速率(5—25℃/rain)下热解的实验结果,发现样品的非等温失重过程是由脱水、半纤维素、木质素、纤维素等有机大分子失重阶段组成.用Flynn-Wall-Ozawa积分法、Friedman微分法、Kissinger最大速率法和gatava.gest丘k积分法对动力学进行处理.从实验中得到了热解动力学的各种参数,并提出糠醛渣热解在不同升温速率下的动力学方程为反Jander方程。三维扩散,3D.
关键词:热解;热分析;糠醛渣;动力学
中图分类号:TQ013.1
文献标志码:A
0
引言
随着社会经济的迅速发展,资源、能源危机日
terial,JapanShimadzuCorporation),糠醛渣(来自
郑州某糠醛厂)进行热重分析前,首先粉碎至(250—380)lxm,然后在105℃下烘干至恒重,取出密封保存,作为样品进行热重分析.1.2实验仪器和实验方法
实验中原料糠醛渣的主要成分采取重量法…测定.
实验采用DTG-60差热一热重分析仪和DSC.60差示扫描量热仪(Shimadzu
Corporation,Ja-
益突出,农林废弃物资源的有效利用已成为世界各国关注的焦点.糠醛渣是生物质废弃物中的一种,它是由农副产品如玉米芯、植物纤维原料经水解生产化工原料糠醛(又名呋喃甲醛)后的废弃物.糠醛渣含有大量的纤维素,是很值得利用的资源.目前我国大多数采取堆积或者挖坑倾倒的方法来处理糠醛渣,既浪费人力财力,污染环境,又占用土地,使这些生物质资源白白浪费….因此,对这些生物质资源的有效利用,避免资源的浪费,变废为宝,具有重要的现实意义.
利用热重分析手段,通过对物质热解过程失重曲线分析,可以了解该物质随温度的失重过程,从而研究其影响因素和热解动力学.笔者用热分析法研究糠醛渣热解行为,并对热解动力学进行研究,分别用Flynn-Wall—Ozawa积分法,Friedman微分法,Kissinger最大速率法和gatava—gest6k积分法对动力学进行处理,建立起糠醛渣热解在不同升温速率下的动力学方程,为设计和开发高效的生物质能转化设备提供理论指导.
pan).实验条件如下:气氛为N2,流量30mL/min;程序控制加热速率分别为5,10,15,20,
25
oC・min~;试样质量约(4.54-0.5)mg.用仅-试验时,先以30mL/min的流量通入N230
氧化铝作参比,测定(DTA.TGA)曲线.
min。将加热区域的空气赶走,分别取一定量的糠醛渣放入热分析仪器中继续以相同流量通入N:,分别以不同的加热速率将原料加热到800℃,系统自动采集数据,根据仪器实验数据以质量与温度、微分质量与温度之间的关系分别做出糠醛渣的TG和DTG曲线.
1.3
理论部分
对于物质热解动力学的研究,已有不少的研
1实验部分
1.1实验样品
0【一A1203(俚一A1203PowerforDTGStandardMa・
究者提出不同的模型汪“,由于糠醛渣主要由纤维素、半纤维素、木质素等有机大分子成分组成,其结构复杂和多元性,因而在热解过程中存在串联
收稿日期:2011一Ol一20;修订日期:201l—04—20
基金项目:河南省科技攻关资助项目(092102210177).
作者简介:周彩荣(1958一)。女,江苏沐阳人,郑州大学教授,博士,主要从事精细有机合成和基础T程数据的研究,
E・mail:zhoucairong@ZZU.edu.cn.
82
郑州大学学报(工学版)
和并行的化学过程,反应过程较为复杂.通常认为热解的反应过程是升温速率、加热温度及热解产物的函数.为了简化处理,固体糠醛渣失重过程的热解反应可简写为:
A(solid)一B(solid)+C(gas)
(1)
A为原料糠醛渣;B为热解后剩余的固体残渣(主要是碳和灰分);C为热解后生成的气体.糠醛渣在受热条件下分解成为凝固相产物和挥发性产物,在热解过程中,反应为不可逆的热分解反应.
假设初始质量为m。的试样在升温速率卢(℃/min)下发生分解,在某一时间t,质量变为m,则分解速率可表示为:
譬:告。’姒算)面2-e”八算,
(2)Lz’
式中:菇=(m。一m)/(m。一m。)为t时间的分解程度,即转化率;m。为样品热分解结束后的残余质量,mg;E为反应活化能,kJ/mol;A为频率因子,即为指前因子,min~;R是气体常数,kJ/mol・K;T绝对温度,K;/(菇)为动力学函数模型,其函数取决于反应类型和反应机制,可反映出反应的机理¨1.
王擎等"1人研究糠醛渣热解动力学时,通过一种型式的变化来找到最合适的反应级数,从而确定其热解的动力学模型.目前,同时采用Flynn-Wall-Ozawa积分法(简称FWO法),Kissinger最大速率法,Friedman微分法和§atava.Sestdk积分法计算热解的各种参数是一种比较成熟的方法…,美国材料与试验协会标准ASTM
E698-01
用Duswalt法(即Ozawa法中的处理方法Ⅱ)或者Kissinger法计算活化能,笔者采取这种方法对糠醛渣热分解动力学进行处理.
Flynn-Wall-Ozawa积分法。积分公式为:
In//-.g[AE,万】-2.315-0.4567面E(3)
FWO法避开反应机理函数的选择而直接求出E值,与其它方法相比较,避免了因反应机理函数的假设不同而可能带来的误差.因此,FWO法往往是用来检验用其它假设反应机理函数方法求出的活化能值,这是FWO法的一个突出的优点.
Friedman-Reich-Levi方程:
ln(譬)=In[根训一ERr
(4)
由ln(卢dx/dt)对1/T作图,用最小二乘法拟合数
据,由斜率求活化能E值,截距求得指前因子A值.
Kissinger最大速率法,方程为:
・n急“㈤一鲁忐
㈤
由In(/3f/砭。。)对1/L。i作图便可得到一条直
线,从直线斜率求E。,从截距求A。.
gatava-gest6k法,积分方程为:
lgG(并)=lg等-2.315-o.4567急(6)
对于每一个固定的成和表1中的每个机理函数G(聋),利用gatava.gestClk法可以分别计算出其对应的E。和A。值.通常,要求保留满足条件0
<E,<400
kJ/mol的E。及其相应的lg(A.);分别
用这些E。与FWO法计算出的E。相比较,找出满
足l(E。一E。)/Eol≤o.1的E。,再分别用培(A。)
与Kissinger法求得的fg(A。)相比较,找出满足
I(19A。一lgAk)/19A。I≤0.2的la(A.).这样就可
以得到其较可能的最概然机理函数.gatava.gest(1k法由于推导严密、判断有据,因此一般认为此法求出的结果比较合理.表1是30种固体热解常用机理函数的积分和微分形式.
2数据处理及结果与讨论
2.I糠醛渣成分分析
糠醛渣主要由纤维素、半纤维素(少量)、木质素以及少量的提取物和水分灰分组成的,对糠醛渣进行化学分析(见表2).2.2糠醛渣的热重分析曲线讨论
谭洪等"1人研究了生物质3种主要成分的热解失重规律,得出3种成分的热解先后顺序为半纤维素,木质素和纤维素,以及其失重的比例.本实验对糠醛渣热分析,发现其热解顺序与此相一致,如图l所示.糠醛渣的失重曲线上主要有两个
峰,160℃以前主要是失水过程,失重量约占原料的6%一8.5%.随着温度的升高,在200—550℃是明显失重的阶段,这个阶段是3种主要成分失重相互叠加失重的结果,其中在200—450℃的区域反应速率较快,失重量约占热解失重量的65%;450—550℃左右的区域,热解反应继续进行,但是与前一阶段相比速率明显缓慢,相应地热解机理也发生了变化.在200—250℃主要是半纤
维素的热解,糠醛渣中半纤维素的含量很低,所以这部分失重不明显;250—550℃主要是木质素和纤维素的热解,纤维素的失重远远高于木质素;随
第4期周彩荣.等:废弃糠醛渣的热分析研究
83
着温度的升高,在300℃时纤维素开始热解,390℃左右时纤维素和木质素的热解失重速率都达到最大值,这时纤维素失重占失重的主导地位;450℃左右半纤维素和纤维素热解基本结束;450℃以后主要是木质素的失重.从图中还可以看出,在加热温度达到550℃时,TG和DTG曲线都趋向于平缓.
从不同的升温速率下糠醛渣热解的TG曲线看出.升温速率越大,曲线越向右偏移,主要是升温速率越大,热滞后现象越严重,颗粒内外温度梯度越大,颗粒与外部环境之间的温差越大,求得的活化能和频率因子误差越大,所以失重曲线向右
移,即高温区移动.
襄1各种机理函数的“jJ和善Iz)形式
Tab.1
NoI2,
00
100
200
300
400
500
600
700
{蛔咯
8∞
温度,℃
田1糠醛渣在不同升温速辜下失重和失重建宰曲蛀Fig.1
TGandDTGCUFV%offurors!residue
at
differentheatingrates
Themechanismfunctionforbothf【j)andglrg(z)
No15-181920
“z)
1/2(#)
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(I/a)x一“’’’(1一x)22(1一^)372
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45
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24
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I一(1一£)‘
9-12:1I/一n{))(]1一-(.x.)I,‘一h【一ln(1一z)]n
13—14
l/2n.1=/32/.3l/,4
R=2,3
28-30(1/a)(1一*)一(‘+”H=2.3,4
R(1一z)‘‘一1’711一(1一*)17‘
裹2糠醛渣的化学分析
Tab.2
Chemicalanalysisoffoduralresidue%
0%,反应终止温度时,其#=100%.通过热分析数据,分别取转化率x为0.05—0.85所对应的温度代人方程(3)一(6)中计算.用Kissinger最大速率法计算的活化能和指前因子分别为E。=
134.04ld/mol。lnA。=19.650.993
样品水分灰分纤维索半纤维素木质素其它
4.16
37.61
7.13
26.15
1494
糖醛渣10.01
从不同的DTG曲线看出,升温速率为25℃/rain的最大失重率约是升温速率为10℃/rain的最大失重率的5倍,而所需时间仅是升温速率lO℃/rain的一半左右.这说明升温速率越大,热解越快.达到最大热解速率的时间越短.但是对该阶段的失重总量影响不是很大.
2.3
8~,复相关系数R2=
4.Kissinger最大速率法通过非等温曲线的
峰值点就可以粗略地估算出热分解时的活化能值,通常其计算结果为热失重速率最大或扫描量热测定吸放热最大时的活化能值.
表3是采用FWO法和Friedman法计算的活化能数值.由FWO法和Friedman法计算出的活化
能集中在90一190
Ll/mol之间,(E。=80,ll
热解动力学参数的确定
热分解动力学主要是考察物质热解主要阶段
的行为”””o.由图1可知,160℃前主要是发生了原料脱水的过程,由于主要考察半纤维素、木质素和纤维素3种主要成分的热分解动力学规律,因而设温度160℃为反应失重的起点,即z=
kJ/m01),随着转化率的提高,活化能也在提高.
通过比较两种方法计算出的活化能可以得出,Friedman法计算出的结果要稍微高于FWO法计算出的结果.其中FWO积分法和Kissinger最
郑州大学学报(工学版)
2011矩
大速率积分法计算出的结果相吻合,可以确定为
134±30
程,致使几种方法计算出的活化能数据有一定的偏差和随着转化率的变化而发生波动.
kJ/tool,而且相关系数较好.由于糠醛渣
中成分复杂,导致其热解是一个复杂的热分解过
表3
Tab.3
F.W.0method
FWO法和Friedman法计算的活化能
FWOandFriedmanmethod
F.W—Omethod
Friedmanmethod
Theactivationenergyby
Friedmanmethod
表4是采用茑atava.§est6k法来计算所得到数值,利用此法可进行机理函数的推导,从茑atava・§est6k法计算的活化能中找到符合以下条件的E和lgA。从而确定可能的最概然机理函数.①0<
Es<400
根据表4中的计算结果,可得到7号数据比较符合以上条件,而且相关系数比较高.由此推导出糠醛渣热解的最可能过程是7号机理函数,其机理为反Jander方程,三维扩散,3D.由表2可知,机理函数的积分形式和微分形式分别为[(1+髫)“’一1]2和3/2(1+x)273[(1+茗)Ⅳ3—1].
kJ/mol;②I(Eo—E,)/EoI≤0.1,其中
Eo=80.11
kJ/mol(要)l(19As--IgAk)/lgAsl≤o.2
表4蠡atava.季est6k法计算的活化能和指前因子
Tab.4
Theactivationenergyandpre.exponentialfactorby叠atava-誊est6method
l65.355.67
0.99020.9936
82.8l5.900.9894
0.99300.99410.99560.9956
86.4593.17
95.84
6.246.596.19
6.7l
0.992487.4394.1796.85
6.330.993l
0.9957
88.33
95.12
6.43
6.776.37
0.9937
0.99570.9962
●2345678
9
287&8922
7
72
89.32
91.9l
6.245.846.36
1.62
0.99520.99590.9968
6.676.27
5.265.761.271.287.76
7.41
0.99460.99600.99600.995l0.9972
0.996297.82
679l
O0
97.1524.2823.3274.26
101.2525.3124.3l77.66
102.276.79
1.941.95
7.7l
0.9967103.28
0.9967
6.882.032.047.8l8.58
4.423.08
0.9965
0.9965
1.83
1.848.6l
0.996825.5690.99630.99960.99520.99680.99680.99680.9968
24.5780.59120.19
25.8224.8l81.43121.33
55.9537.3027.97
1.637.298.07
3.97
0.99460.9962
0.9965
0.991l0.99390.996l0.996l
0.99640.99150.99340.99570.99570.99570.99570.9957
0.9957
M
4
0.9960114.520.99670.9967
0.9967
0.9958119.1312.440.99650.99650.9965
0.9965
8.494.322.992.361.78
9■79沦4
l
3.52
2.26
52.7235.1526.36
17.57
54.9036.6027.4518.13
4.232.882.251.66
55.4236.9427.7118.47
mU屹n
32
l62.66
2.041.47
8758
1.68
1.14
0.996l0.9961
0.9961
2.451.87
0.9967
18.65
198.9615.7712.4399.48
O.9l7.50
0.9967210.910.9967
13.18
16.75
1.23
0.9965219.6017.31
0.9965
0.9968221.6817.320.9968
0.99680.99680.9963
13.85110.84
1.52
223.8317.4213.98111.9l
1.628.65
13.72
109.82164.75
1.410.99610.9961
0.99610.99650.9602
0.9967105.458.130.99650.99650.99460.9498
0.9720
8.4912.88
3.35
8.56
0.99570.99570.9964O.96180.9806
0.94120.99650.99650.9937
149.2211.6l
44.0l
0.9967158.1812.4l0.99510.9518
0.9733
166.2612.9149.1428.8335.1l24.1551.1352.17
43.71
167.8713.0149.63
29.1735.49
2.67
1.70
46.64
27.12
3.10
2.072.441.793.103.07
48.6328.4234.6623.7950.6251.65
43.2264.84
3.452.41
2.792.12
3.55
2.512.89
25.6331.2821.4445.8346.77
39.0858.62
2.292.682.003.363.333.16
4.671.76
0.95630.97700.93420.9968
0.99440.99240.99240.99240.9924
2.06
1.44
33.13
22.67
0.9797O.93ll
0.9294
0.92660.9956
0.9912
24.452.223.553.523.364.871.971.58
2.662.632.503.90
1.22O.87
0.996048.570.99630.99020.9902
0.99020.9902
3.463.423.26
4.771.881.49
0.9967551.640.99670.99350.9935
0.99350.9935
49.5841.4062.1l20.70
13.80
52.6844.1666.2422.08
14.72
2.9l4.381.561.19
0.98940.98940.98940.9894
65.57
21.85
0.99370.99370.9937
19.51
21.6l
14.40
13.02
1.38
14.57
第4期周彩荣,等:废弃糠醛渣的热分析研究
续表4
芦:5℃/rain
p=10
10.3526.0467.45
oC/min
85
卢=15oC/min
厣=20
10.9226.8770.58
oC/min
卢=25。C/min
堕!
27282930
墨
9.77
!鲤
0.73
墨:
0.99020.8982
墨堡生
1.042.48
墨:
0.9894
墨
10.8026.8I70.04
!鲤
1.222.67
墨:
0.99240.8895
墨超生
1.33
2.765.711.73
墨:
0.9935
0.88230.98560.8823
墨
11.04
27.0771.2413.53
!醴
1.43
2.855.801.82
墨:
0.99370.8802
0.98500.8802
24.5363.6l12.26
2.124.86
1.13
0.8993
0.99050.8993
0.99050.8982
5.36
1.45
5.“0.9881
1.62
13.02
13.400.889513.43
[5]
3
REICHL,LEVIDanalysisinpolymermer
结论
(1)通过不同升温速率对糠醛渣进行DTA—
W.Dynamicthermogravimetric:
of
degradation[J].Journal
Poly・
Science:MacromolecularReviews,1967,1(1):
DGA分析表明,其热分解反应机理模型为第7号机理,其机理为反Jander方程,三维扩散,3D,函数的积分形式是[(1+茁)Ⅳ3一1]2,微分形式是3/2(1+并)2力[(1+菇)1/3一1]-1.表观活化能E为
134±30kJ/m01.
173—275.
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(2)在糠醛渣热分解过程中,糠醛渣的主要成分半纤维素、木质素、纤维素等有机大分子逐一瓦解,直至全部分解.
[8]
COATSA
W。REDFERNJP.Kinetic
parameters
fromthermogravimetricdata[J].Nature,1964,201
(4):68—69.
[9]谭洪,王树荣,骆仲泱,等.生物质三组分热裂解行
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Study
on
TheThermalActionofFurfuralResidue
ZHOUCai・rong,RENJun—liang,XUMin—qiang,SHIXiao-hua
(School
ofChemicalEngineering
andEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)
Abstract:Pyrolysisthermalcharacteristicsandkineticsoffurfuralresidue
metricanalysis.Anumberofexperimentswithdifferentheating
were
investigatedusingthermogravi・
rates(5~25℃・rain“)wereperformedand
non-
analyzedbythermogravimetricanalysisanddifferentialscanningcalorimetry.Theresultsshowedthattheisothermalweight-lossprocessofsampleskineticparameters
were
are
composed
ofdehydration,hemicellulose“gninandcellulose.The
calculatedbymeansofFlynn・Wall—Ozawamethod,Friedmanmethod,Kissingermeth—
parametersofnon—isothermaldecompositionkinetics
to
od,and§atava.gest6kmethod,respectively.Thedynamic
were
obtainedaccording
to
theexperimentaldataforfurfuralresidues,andfound
beanti—Janderequationof
whichisthreedimensionaldiffusion,3D.
Keywords:pyrolysis;thermogravimetricanalysis;furfuralresidue;kinetics
废弃糠醛渣的热分析研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
周彩荣, 任军亮, 徐敏强, 石晓华, ZHOU Cai-rong, REN Jun-liang, XU Min-qiang, SHI Xiao-hua
郑州大学化工与能源学院,河南郑州,450001
郑州大学学报(工学版)
Journal of Zhengzhou University(Engineering Science)2011,32(4)2次
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引用本文格式:周彩荣. 任军亮. 徐敏强. 石晓华. ZHOU Cai-rong. REN Jun-liang. XU Min-qiang. SHI Xiao-hua 废弃糠醛渣的热分析研究[期刊论文]-郑州大学学报(工学版) 2011(4)