摘要
甘蔗渣是一种典型的农林废弃物，常见于广西、广东、云南等南方甘蔗种植省区，产量丰富。目前，甘蔗渣大多被直接丢弃或焚烧，造成较大的垃圾处理负担和空气污染，同时也产生了资源浪费，与其他农林废弃物如麦秸相比，甘蔗渣中纤维素含量较高，农药残留量较低，木质化水平高，是优质的生物质原料。甘蔗渣的传统处理方法有用作锅炉燃料和制浆造纸等，但回收使用价值较低且有环境污染问题。近年来，水热碳化是废弃生物质资源化利用的常用技术，在高温高压的水介质环境下，将废弃生物质转化为环境友好型生物炭，制备的生物炭可作土壤修复剂，吸附剂，燃料等。水热碳化的加热方法有电加热和微波加热，其中微波可以实现对反应体系的直接加热，提高加热效率，因此本论文采用微波协同的方法对甘蔗渣水热碳化的过程进行研究，主要是对其反应过程、较佳工艺条件和水热碳化机理的研究。 本研究选用微波密闭反应釜对甘蔗渣-水反应体系进行加热，通过正交试验，对甘蔗渣在不同反应条件下的水热碳化过程进行了考察。考察了反应温度和反应时间对生物炭产率以及碳回收率的影响，发现随着反应温度的升高，生物炭产率和碳回收率呈现下降的趋势，说明温度越高，甘蔗渣的降解越完全；而随着反应时间的延长，生物炭产率和碳回收率呈现先减后增的趋势，说明反应先是以甘蔗渣水解为主导，后以碳微球的生成为主导；但无论在何种反应条件下，生物炭的碳回收率都达到55%以上，具有较好的碳回收性能。 本研究还对甘蔗渣制备生物炭的较佳工艺条件进行了探究。通过扫描电镜对生物炭的表面形貌进行了检测，发现在水热碳化过程中，甘蔗渣原有的片状纤维结构被逐渐瓦解，尺寸均一的碳微球逐渐在表面形成，碳微球表面有黏着物，考虑是液相产物中的有机物质(小分子有机酸、酮、醇等)，说明实验制备的生物炭具有碳微球性能，且表面富含官能团，有良好的吸附性能。通过对生物炭高位热值的计算，发现实验制备生物炭的高位热值远高于原料(14. 54MJ/kg)，生物炭的平均高位热值为21.03MJ/kg，比原料高44%，说明实验制备的生物炭具有良好的燃料特性。以生成优质的、具有优良吸附性能和燃料特性的，有广泛应用的生物炭材料为目标，确定240℃反应温度和90min反应时间是甘蔗渣水热碳化制备生物炭的较佳工艺条件。 甘蔗渣的水热碳化机理较为复杂，主要原因是：甘蔗渣的成分复杂，且反应在密闭条件下进行，副反应较多。甘蔗渣中纤维素含量约为42-50%，纤维素是制备生物炭的主要成分，因此本研究选取微晶纤维素作为甘蔗渣的模型化合物，对其水热碳化机理进行探究。实验通过HPLC和GC-MS对液相产物组分进行分析，通过元素分析和TOC检测对碳在三相中的分布进行研究，得到水热碳化的反应路径主要是：微晶纤维素水解生成葡萄糖→葡萄糖异构化生成果糖、开环破裂生成5-羟甲基糠醛(5-HMF)、糠醛和其他小分子物质→果糖水解生成小分子有机物，5-HMF开环水解生成乙酰丙酸→小分子有机物和苯酚、糠醛化合物等通过脱水和缩合反应生成芳香族化合物→芳香族化合物达到饱和临界值后析出，产生大量形核并最终形成碳微球。
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