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淺談典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)化學(xué)特性的比較
引言
生物質(zhì)能源是人類最早的能源之一，尤其是在農(nóng)村地區(qū)通常是非常容易獲得的能源。生物質(zhì)在全球能源資源中排名第4，為人類需要提供了約9%-14%的能源;尤其在發(fā)展中國家，生物質(zhì)能源尤為重要，提供了近35%-40%的能源。生物質(zhì)在生長過程中吸收CO2，燃燒過程中釋放CO2，可達(dá)到氣體排放的平衡。生物質(zhì)燃料的燃燒速度大大高于煤，且生物質(zhì)有可再生、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。利用生物能源可以擴(kuò)展來滿足日益增長的能源需求，減少二氧化碳的排放和全球變暖，對于城市和農(nóng)村廢棄物的處理非常有益處。
我國生物質(zhì)原料主要來自農(nóng)林產(chǎn)業(yè)，分布廣泛，有草、灌、喬，糖及淀粉等。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)主要是一些農(nóng)作物秸稈，如水稻秸稈、玉米秸稈、麥稈、油菜秸稈和棉花秸稈等。系統(tǒng)識別和量化生物質(zhì)化學(xué)成分組成，是生物質(zhì)原料應(yīng)用最重要的步驟。關(guān)于秸稈原料熱解或發(fā)酵的研究較多。農(nóng)作物秸稈作為生物質(zhì)能的原料，可以用來制備生物炭和生物油。近年來，對于洗滌纖維和粗蛋白的研究，主要是針對其被微生物發(fā)酵后可以更好地被用作飼料等，而對于不同地區(qū)或不同種類秸稈的化學(xué)特性的比較的研究較少。為此，針對華東地區(qū)3個省市4種常見的生物質(zhì)(水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈)的化學(xué)特性進(jìn)行比較和分析，以期為生物質(zhì)合適的能源化利用方式提供參考。
1.材料與方法
1.1試驗(yàn)材料采集
選取來自安徽省、江西省和上海市的水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈共計127個樣品，不同地塊或不同品種的樣品記作不同的樣品。根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植區(qū)域分布及樣品種類選擇采樣點(diǎn)，保證采樣科學(xué)、具有代表性，采集不同品種的樣品以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適用于本樣品的全部品種。水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈。樣品采集時間選擇在該作物的收獲期，在每個地塊根據(jù)地形科學(xué)布點(diǎn)，每個樣品采集3 - 5 kg，使用己做好標(biāo)記的繩子將樣品捆扎結(jié)實(shí);同時，完成現(xiàn)場記錄表的填寫，將樣品的采集時間、地點(diǎn)、樣品品種、種植方式、收獲季節(jié)等信息記錄完整。
1.2試驗(yàn)材料制備
將采集好的秸稈按種類分類標(biāo)記，風(fēng)干后使用枝婭粉粹機(jī)(福輪力特112M-4)進(jìn)行粗粉，得到粗粉樣品放入45℃烘箱中烘干;然后用中藥粉碎機(jī)(大德藥機(jī)DFY-500)中進(jìn)行細(xì)粉，細(xì)粉樣品再經(jīng)40目篩分(粒徑0. 63 mm);樣品制備完成后裝于自封袋中，做好標(biāo)簽，放在干燥器中保存，用于試驗(yàn)測試。
1.3試驗(yàn)方法
以制備好的秸稈粉末樣品為原料，采用四分法選取樣品進(jìn)行纖維素(cellulose )、半纖維素(hemi-cellulose)、木質(zhì)素(lignin )、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維及粗蛋白等化學(xué)性質(zhì)的測定。各指標(biāo)的測定多采用國家標(biāo)準(zhǔn)、美國材料與試驗(yàn)協(xié)會ATSM標(biāo)準(zhǔn)和AOAC國際標(biāo)準(zhǔn)。對水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈進(jìn)行化學(xué)特性測定。
1)纖維素、半纖維素:纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體。這些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖等。本測試采用高效液相色譜(Waters 1515 -2414 )法通過測量糖的含量來測定纖維素和半纖維素的含量。
2)木質(zhì)素:采用紫外分光光度法測得酸性可溶性木質(zhì)素，用灼燒法(575℃)測差重得到不可溶性木質(zhì)素、木質(zhì)素的總含量及兩部分的總和。
3)中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維:用纖維測定儀測定。
4)粗蛋白:用凱氏定氮儀測定。
1.4試驗(yàn)儀器
枝婭粉碎機(jī)、中藥粉碎機(jī)、天平、VELP纖維測定儀FIWE 6、烘箱、馬弗爐、Waters 1515-2414高效液相色譜儀、UV-1800型紫外分光光度計、凱氏定氮儀等。
1.5數(shù)據(jù)分析方法
采用Microsoft Excel 2010, IBM SPSS Statistics 20單因素方差分析等方法。
2結(jié)果與分析
2.1纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量變化
纖維類物質(zhì)包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。纖維類物質(zhì)含量的高低可以作為生物質(zhì)能原料選擇的重要依據(jù)。水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈的纖維類物質(zhì)含量。
由于秸稈中的木質(zhì)纖維素含量較高，不能被厭氧菌有效地降解，相對于畜禽糞便等易消化的物料，秸稈制取沼氣技術(shù)要困難得多，尤其是對于木質(zhì)素含量最高的棉花秸稈。但我國秸稈資源量巨大，農(nóng)村沼氣池的推廣工作開展順利。為解決秸稈難以降解制取沼氣的問題，需要解決一些關(guān)鍵性的技術(shù)問題。首先，需要研究各種預(yù)處理方法，通過預(yù)處理提高秸稈的可生物消化性能、消化效率和產(chǎn)氣率;其次，根據(jù)秸稈體積大、密度小、不具有流動性等特點(diǎn)，可研究適合其物料特性的專用高效厭氧消化反應(yīng)器，并研究出較優(yōu)的反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù).相比沼氣，秸稈在生物質(zhì)熱解或炭化時，纖維素和半纖維素主要產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，而木質(zhì)素主要分解為焦炭。棉花秸稈的木質(zhì)素含量最高，不適合熱裂解液化產(chǎn)生生物油，其次為玉米秸稈。
有研究表明，纖維素和半纖維素發(fā)生熱化學(xué)氣化反應(yīng)時碳的轉(zhuǎn)化率高，可轉(zhuǎn)化為且提高溫度，有利于提高CO含量和降低CO2含量;而木質(zhì)素中碳的轉(zhuǎn)化率低，多轉(zhuǎn)化為，此過程主要發(fā)生在800℃，且CH2的生成量受溫度影響大。
木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇的過程主要分為兩步:纖維素和半纖維素水解為可發(fā)酵性糖，糖發(fā)酵成醇。水解過程通常用酸或酶作為催化劑;而木質(zhì)素本身結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，很難被一般的溶劑溶解，因此木質(zhì)纖維素生物質(zhì)制取乙醇的過程中，木質(zhì)素一般需要去除。纖維素/半纖維素的比值大更適合生產(chǎn)乙醇，因此水稻秸稈更適合生產(chǎn)乙醇。
2.2化學(xué)分析
秸稈作為飼料時，其營養(yǎng)品質(zhì)主要取決于秸稈中粗蛋白、中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌洗維(ADF)的含量。對水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈進(jìn)行了中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和粗蛋白的測定。
玉米中洗滌纖維和粗蛋白含量與文獻(xiàn)中范圍一致。其中，品種不同，含量有所差異。油菜秸稈中粗蛋白含量文獻(xiàn)值稍高，可能是由于不同地區(qū)粗蛋白含量有所差異。水稻秸稈和棉花秸稈中粗蛋白的含量與文獻(xiàn)含量范圍一致.
秸稈經(jīng)過酵母菌或其他微生物發(fā)酵，粗蛋白含量大大提高，同時提高粗纖維的降解率，從而更加適于作畜禽飼料.
3結(jié)論
1)纖維素/半纖維素的比值大更適合生產(chǎn)乙醇，因此水稻秸稈更適合生產(chǎn)乙醇。
2)纖維素和半纖維素發(fā)生熱化學(xué)氣化反應(yīng)時碳的轉(zhuǎn)化率高，可轉(zhuǎn)化為CO,CO2;木質(zhì)素中碳的轉(zhuǎn)化率低，多轉(zhuǎn)化為CHQ。因此，玉米秸稈熱化學(xué)轉(zhuǎn)換時更易轉(zhuǎn)化為CU, CO2;棉花秸稈熱化學(xué)轉(zhuǎn)換時更易轉(zhuǎn)化為C HQ。
3)棉花秸稈中木質(zhì)素含量最高，不適合熱裂解液化產(chǎn)生生物油;其次為玉米秸稈。
4) 4種秸稈的平均熱值排序?yàn)?棉花秸稈玉米秸稈水稻秸稈油菜秸稈。油菜秸稈中K, Na, Ca含量偏高，如果用于直燃發(fā)電時，既不能產(chǎn)生較多熱量，又容易使鍋爐結(jié)渣，因此不適于直燃發(fā)電。
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