炭化温度对轻木与松木细胞壁结构与化学成分的影响文献综述

 2022-07-14 08:07

本科毕业论文文献综述

题 目:炭化温度对轻木与松木细胞壁结构与化学成分的影响

摘要:木材炭化是一种高效的木材综合利用方法, 过去木质炭化物一般作为燃料使用, 利用价值很低。随着科技的发展, 近年来木炭的新用途及作为新材料的研究开发十分活跃。木材作为一种具有天然孔隙结构的含碳材料, 在先进碳材料制备方面具有突出的优势, 不仅原料来源丰富, 而且具有可再生性, 制成的产品可降解, 并能够回收再利用。高效地利用木材的炭化产物, 对解决废弃物的资源化、环保、生态环境等问题将起到十分积极的作用。因此,研究木材的炭化机理有着非常重要的意义。松木的管胞细胞壁厚,是典型的厚壁细胞木材;轻木是世界上最轻的木材,大部分细胞为薄壁细胞和导管,是典型的薄壁细胞木材。本研究通过差热分析法探究木材炭化的机理,并比较两种木材炭化机理的异同点,得出厚壁细胞木材与薄壁细胞木材的炭化机制差异,为制备生物炭技术提供技术支持。

关键词:轻木,松木,炭化,细胞壁结构,化学成分

1 前言

人类生产和使用木质炭化物有着悠久的历史, 因为工业革命的到来,木炭需求量急剧增加 , 到了18世纪,木炭被大量应用于冶金工业。随着矿物燃料的应用普及,木炭拿来作为燃料的利用就减少了。虽然传统的木材热解工业有下降趋势, 但应用现代的分析技术, 有关纤维素热解动力学、热解机理和热解附产物的研究被当前的活性炭、纺织、复合材料、防火木质产品和生物能源领域广泛关注。

炭化是指有机物通过热解(pyrolysis)而导致生成含碳量不断增加的化合物的一个长过程,它的最终产物是在1 600 K下的纯碳固体[1]。在木材的炭化研究中, 有关木材热解过程的研究比较早。木材是一种各向异性、多孔、具有纤维结构的复杂高分子化合物胶体, 其主要组成成份是纤维素(50%左右)、半纤维素(25%左右)及木质素(10% ~ 20%)。 木材受热作用发生化学分解反应, 在反应过程中, 木材中的复杂高分子物质分解成为许多简单的低分子物质;同时, 生成的简单低分子物质又部分聚合或缩合成树脂状物质, 称为木材的热分解作用。纤维素是木材的主要成分之一, 在炭化过程中纤维素加热到300 ℃以上时, 纤维素分子链中的苷键迅速裂解, 在葡萄糖分子中一个游离羟基的参与下, 经过葡萄糖基转移作用发生解聚, 主要生成较稳定的1, 6 -脱水-beta; -D-葡萄糖和其他焦油状热分解产物。焦油部分仍含有因二次葡萄糖基转移作用和缩合反应随机组合形成的低聚糖和多糖。在更高温度的作用下, 纤维素热分解生成的中间产物进一步裂解, 生成一系列易挥发的羰基化合物。随着裂解的进行, 脱水葡萄糖产生大幅度降低, 同时木炭产量则显著提高。

木质素也是木材的主要成分之一, 木质素的热分解是在250 ~ 500 ℃广泛的温度范围内逐渐进行的, 但在310 ~ 420 ℃热分解最快, 形成大量的气体和液体产物。木质素热分解后形成炭的产量最高, 约达55%。但由于木质素的结构复杂, 它的热分解反应机理至今还不十分明确。

木材炭化是一个复杂的物理和化学过程, 涉及木材中自由水和结合水的蒸发, 纤维素、半纤维素及木质素的热分解和热分解产物的挥发、缩聚及其他的二次反应, 还与炭化的固体产物演变并发展成为不同的炭化物的过程有关, 且不同的分子结构使它们具有不同的反应历程和反应活性, 同时也使得木材炭化机理的研究变得非常困难。总的来说, 有关木材炭化的反应历程、机理的研究还不充分, 有待于进一步深入的研究。

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