玉米秸稈粉料在放電等離子體中的裂解反應(yīng)研究

摘 要：在分解玉米秸稈粉料中的糖產(chǎn)物時(shí)，在保證無(wú)燃燒、無(wú)氧化情況下，進(jìn)行高氣壓等離子放電體處理秸稈粉料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈粉料在沒(méi)有添加助劑和其他預(yù)處理情況下，可直接裂解成糖產(chǎn)物，同時(shí)得到二塘、單糖等產(chǎn)物。通過(guò)分析秸稈和秸稈中的半纖維素、木質(zhì)素等產(chǎn)物，得到的裂解條件是：壓力是90kPa，環(huán)境溫度是70，水蒸氣常壓飽和流量是0.1L·min，放電間隙是0.60mm，N2煤質(zhì)氣體流量是0.35L·min，放電電壓是3kV，60min放電后玉米秸稈粉料轉(zhuǎn)化率是69.38%，糖產(chǎn)率是40.17%，糖選擇性是39.67%。這說(shuō)明玉米秸稈在無(wú)高溫高壓、無(wú)酸堿、無(wú)需復(fù)雜預(yù)處理情況有可能分解成糖。

關(guān)鍵詞：等離子體；氣體放電；玉米秸稈；裂解反應(yīng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.195

秸稈中包含：半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等，將進(jìn)行水解纖維素后，提純分離后可以做成低聚糖纖維，它具有增殖雙歧桿菌因子，有很強(qiáng)的生理活性，可以減少機(jī)體膽固醇量，對(duì)治療糖尿病有很大幫助[1]。常規(guī)的堿法水解存在很大風(fēng)險(xiǎn)，工藝比較困難，對(duì)設(shè)備要求較高，酶水解法成本高、反應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)[2]。本文分析的是使用高氣壓（≥0.01MPa）強(qiáng)電場(chǎng)放電等離子體進(jìn)行玉米秸稈粉料裂解，以明確玉米秸稈中反應(yīng)產(chǎn)物，為非平衡等離子體提供相應(yīng)參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和原料

選擇某省無(wú)霉變自然儲(chǔ)存的玉米秸稈，使用研磨機(jī)磨成平均粒徑<0.2mm粉料。原料成分包括：半纖維素25.2%、纖維素38.8%，木質(zhì)素19.6%。

選擇某公司的D-IBS甘露糖、D-阿拉伯糖、D-木糖可以作為生化試劑；葡萄糖作為分析純。在購(gòu)自用木聚糖代替半纖維素，單一組分纖維素，木質(zhì)素等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、高氣壓強(qiáng)電場(chǎng)放電裝置、質(zhì)譜儀HP 1100 MSD、數(shù)字儲(chǔ)存示波器、Q3-V型靜電表、掃描電鏡、研磨儀、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在接地電極上放置原料秸稈粉，篩薄薄一層就行，煤質(zhì)氣體流量是0.25～2.0L·min，激勵(lì)電壓是1～5kV，飽和水蒸氣流量是0.03～1.5L·min，在90kPa壓力下進(jìn)行處理。開(kāi)始時(shí)，將電壓調(diào)到與正常放電電壓高30%，時(shí)間是1/4的整個(gè)放電時(shí)間，之后在正常放電電壓下進(jìn)行合理放電。

放電氣體主要是參與的水蒸氣，樣品進(jìn)行等離子放電之后，增加水蒸氣飽和流量，并升高溫度，將放電氣體與飽和產(chǎn)物水蒸氣結(jié)合，使其進(jìn)到冷阱中能夠在下排氣體流動(dòng)出反應(yīng)器，之后中收集這些液體從冷阱中。反應(yīng)結(jié)束后，使用蒸餾水沖洗接地極和電介質(zhì)等，合并冷阱收集液體和沖洗液，使用活性炭進(jìn)行脫色，之后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)在76、40kPa、60條件下，將大量水去除后，在真空濃縮70下得到黃色溶液，對(duì)收集的氣相產(chǎn)物進(jìn)行色譜分析。

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1.主要由放電反應(yīng)器、控制溫度系統(tǒng)、放電發(fā)生器構(gòu)成，放電反應(yīng)器相關(guān)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在加強(qiáng)電極間高電壓時(shí)，可以擊穿接地極、電介質(zhì)之間的氣體，構(gòu)成強(qiáng)電離放電高氣壓等離子體，采取非均相對(duì)原料粉體進(jìn)行降解。

1.4 分析測(cè)試色譜條件

在真空70下濃縮黃色溶液后，進(jìn)行HPLC分析，色譜條件是：由某公司生產(chǎn)的糖柱和配套的保護(hù)柱、去離子柱。選擇0.6ml·min-1流速的高純水作為流動(dòng)相，，柱溫恒定值是85使用折光示差檢測(cè)器，試樣使用微孔濾膜0.45m對(duì)進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)樣量是10。

Sephadex G-150（2×100cm）柱糖柱是70真空濃縮產(chǎn)物，在收集16ml·h部分，使用蒸餾水洗脫，收集峰位部分，進(jìn)行酚-硫酸法檢測(cè)，醇析，濃縮，干燥后測(cè)試IR（KBr）。

1.5 配制標(biāo)準(zhǔn)溶液

對(duì)照品每個(gè)是3.000g，精確稱取D-果糖、葡萄糖、D-木糖、D-阿拉伯糖，放在容量是50ml瓶中，溶解使用高純水進(jìn)行，完成刻度定容，形成儲(chǔ)備混合液標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)樣HPLC分析。

2 結(jié)果和討論

反應(yīng)原料水蒸氣飽和流量是0.1L·min，在90kPa氣體壓力下裂解、流量是0.35L·min。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

3 結(jié)論

玉米秸稈料在放電等離子體作用下，會(huì)轉(zhuǎn)化為二塘、單糖（包括六碳糖、五碳糖），其中轉(zhuǎn)化率是69.37%，糖產(chǎn)率40.17%。秸稈裂解產(chǎn)生的糖產(chǎn)物成分主要包括：纖維素、半纖維素都是等離子體，在放電條件下木質(zhì)素不會(huì)出現(xiàn)變化。放電電壓、水蒸氣流量、溫度參與下會(huì)影響秸稈的糖產(chǎn)率，而水蒸氣流量和溫度之間存在極大值，水蒸氣在產(chǎn)物傳遞中會(huì)給糖產(chǎn)物造成很大的影響[3]。在等離子體高氣壓中放電進(jìn)行裂解玉米秸稈粉料也能進(jìn)行糖化，產(chǎn)生糖產(chǎn)物，該技術(shù)和其他實(shí)驗(yàn)方法不同，它是一種新的可以將木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑氖侄巍?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]張夢(mèng)怡，孫亞兵，蔣浩.電暈放電等離子體協(xié)同鎢酸鉍對(duì)水中鄰苯二甲酸二甲酯的降解研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（05）：1690-1696.

[2]崔澤琳，白雪峰，劉洋.Ar輝光放電等離子體還原法制備Pd/LDHs催化劑及其催化Suzuki反應(yīng)的研究[J].化學(xué)與粘合，2016， 38（06）：405-408.

[3]陳果，張玲，何小珊等.反式二丁烯與氫氣流量比對(duì)輝光放電等離子體組分與聚合物薄膜表面粗糙度的影響[J].原子能科學(xué)技術(shù)， 2016，50（09）：1658-1663.

作者簡(jiǎn)介：李岳姝（1979-），女，研究生，副教授，究方向：復(fù)合材料、放電等離子。