一种快速预测不同类型秸秆类生物质组分含量及光合产氢潜力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于农业工程中的农村能源技术领域，具体设及一种快速预测不同类型賴 杆类生物质组分含量及光合产氨潜力的方法。
【背景技术】
[0002] 化石能源的日渐枯竭及其使用所带来的环境污染问题迫使人们开发新的清洁可 再生能源W满足未来经济和社会发展的需要。氨能因能量密度高、燃烧无污染且利用形式 多样而被公认为未来主要的能源载体形式。W氨能使用为核屯、的"氨能经济"和"氨能社会" 发展模式是人们对未来能源使用技术的憧憬。
[0003] 生物制氨是利用微生物自身代谢释放氨气的过程，其产氨条件溫和、环境友好且 原料来源丰富而被认为是未来氨能生产的主要替代形式。在各类生物制氨技术比较中，光 合细菌制氨不仅有较高的产氨能力，其还可W利用多种有机废弃物作为产氨原料，实现氨 能生产和废弃物处理的双重目标而成为制氨技术研究的热点问题。賴杆类生物质作为Ξ种 高聚物:纤维素、半纤维素和木质素的有机混合体，含70%-80%的碳水化合物，可通过微生物 直接或间接发酵转化为可再生糖类资源，并被微生物利用生产洁净能源，是理想的发酵产 氨原料。不同类型W及生长环境的不同会造成其结构和性质的差异，因此，在能源化利用之 前，还需要对其组分含量和产氨潜力进行预测。
[0004] 现有的对賴杆成分进行检测的方法有范式方法和王玉万方法等，都是利用酸性洗 涂法运一化学方法进行的检测，操作耗时，且影响因素过多，所得结果误差明显，需多次重 复试验，才可得到大致组分含量。而且，賴杆的纤维素和半纤维素含量的大小并不与其光合 产氨能力成严谨正相关，因此，运就需要一个新型的、简便快捷的方法进行分析和预测。
【发明内容】
[0005] 针对现有测定賴杆类生物质纤维素、半纤维素和木质素含量的技术存在的问题及 不足之处，本发明的目的在于提供一种操作简便、准确性高的快速预测不同类型賴杆类生 物质组分含量及光合产氨潜力的方法，该方法能实现较佳光合产氨原料的快速确定。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种快速预测不同类型賴杆类生物质组分含量及光合产氨潜力的方法，步骤如下： (1) 賴杆类生物质的粉碎预处理:将不同类型賴杆类生物质分别粉碎至375~8968nm 后，干燥备用； (2) 对不同类型賴杆类生物质进行热重分析:每一种类型的賴杆类生物质粉，称量8~ 12mg，均匀分散在热重分析仪的样品盘中，在氮气气氛下，测试不同升溫速率下40~600°C溫 度区间的热失重行为； (3) 数据分析:利用热重分析仪自带的数据处理软件包，获得降解特性参数:起始溫度 T。及该时刻的失重率WL。，峰值溫度Τρ及该时刻的失重率WLp，转变溫度Ts及该时刻的失重率 WLs，残余物含量;而后W各升溫速率下的热失重行为为依据，计算不同类型賴杆类生物质 的表观活化能;根据所得数据预测不同类型賴杆类生物质的组分含量及光合产氨潜力：热 解活跃区间失重率WLs-WL。越大、残余物含量越低，说明该类型賴杆类生物质中的易降解组 分含量越高;热解活跃区间失重率WLs-WL。越大、残余物含量越低、表观活化能越低，说明该 类型賴杆类生物质的光合产氨潜力越大。
[0007]所述賴杆类生物质为大豆賴杆、高梁賴杆、棉花賴杆、玉米賴杆或玉米忍。
[000引升溫速率控制在5~40°Cmin-1区间之内。
[0009] 采用FW0或DAEM方法计算不同类型賴杆类生物质的表观活化能。
[0010] 本发明的有益效果:本发明探索出一种预测不同类型賴杆类生物质组分含量及光 合产氨潜力的方法，不仅实现了多种产氨用賴杆类生物质组分含量的快速对比，还能依据 计算得出的表观活化能数值预测其光合产氨潜力，其预测结果与酶解预处理试验和光合产 氨验证试验中所得结论一致，为确定较佳光合产氨原料提供了技术支持。与元素分析法或 Ξ素测量法相比，大大降低了测量賴杆类生物质成分的工作难度，缩短了工作时间。
【附图说明】
[OOW图1:升溫速率10°Cmirfi时不同类型賴杆类生物质粉体的热失重曲线。
[001^ 图2:尸胖0方法中1址与（1/Τ)*1000K-1的关系。
[001引图3:DAEM方法中1址/Τ2与（1/Τ)*1000Κ-1的关系。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合实施例对本发明作详细的说明，实施例在W本发明技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实 施例。
[0015] 实施例1--一种快速预测不同类型賴杆类生物质组分含量及光合产氨潜力的方法 (1)賴杆类生物质的粉碎预处理:将五种賴杆类生物质（玉米賴杆、高梁賴杆、玉米忍、 大豆杆、棉花杆)分别粉碎至lOOOnm后，干燥备用。
[0016] (2)对五种賴杆类生物质进行热重分析：每一种类型的賴杆类生物质粉，称量 lOmg，均匀分散在热重分析仪的开式样品盘中；将热重分析仪炉体溫度降至室溫后，高纯氮 气(99.5v%氮气和0.5v%氧气)在流速60mLmirfi下通入炉体中，包I造惰性气氛，点击运行，升 溫区间设为 40 ~600°C，升溫速率分别为 5°Cmin-i、10°Cmin-i、20°Cmin-i、30°Cmin-i和 40°C mirfi;当达到均衡溫度40°C时，等溫状态维持Imin，待系统稳定后，开始在设定升溫速率下、 溫度区间为40~600°C进行升溫降溫热重分析过程，取样周期为0.5s;其中，在10°Cmirfi的 升溫速率下，不同类型賴杆类生物质粉体的热失重曲线TG及一阶微分热重曲线（即热失重 速率曲线)DTG如图1所示;賴杆类生物质的热解过程主要包括Ξ个阶段:第一阶段是易挥发 分的挥发，第二阶段是热解活跃区，第Ξ阶段是热解消极区;賴杆类生物质物质的降解多集 中在热解活跃区，并依次是半纤维素、纤维素和木质素的降解;纤维素和半纤维素含量越 高，则其热解活跃区溫度跨度越大;热解峰值溫度低，说明该賴杆类生物质较易降解;失重 曲线上出现的肩峰，则是用来说明賴杆类生物质内的纤维素含量和半纤维素含量的比值情 况，肩峰越明显，说明纤维素与半纤维素的含量之比越低;残余物含量越低，说明賴杆类生 物质中可降解成分越多；由图1可知:热解活跃区从初始溫度200°c左右开始，此时则主要为 半纤维素的热解，纤维素的降解紧随其后，在170-350°C的溫度区间内，其剧烈降解造成了 明显失重，并在320°C左右时，失重速率达到峰值，说明此时賴杆类生物质粉体的热分解速 率达到最高；由于半纤维素的降解溫度比纤维素低，其"肩峰"易被纤维素降解峰覆盖，如玉 米忍和玉米賴杆，因此在图中不易观察;第Ξ阶段是热解消极区，溫度区间为375-600°C，此 时快速热解后的残余物发生缓慢分解，最后生成灰分和炭;木质素的降解被认为持续时间 最长，在图中如同快速热解反应的"尾己"，在易挥发分的挥发阶段和热解活跃区都缓慢发 生;不同类型賴杆的热解起始溫度、峰值高度、热解活跃区跨度及残余物含量均不相同。纤 维素或半纤维素含量越高，热解反应过程中，失重率越大，残余物含量越低。
[0017] (3)数据分析:实验采用的热重分析仪具有自带的TA化iversal Analysis数据处 理软件包，包含了必要的测量功能和数据分析功能，不同类型賴杆类生物质粉体的降解特 性参数如表1所示，各参数值为五组不同升溫速率下得到的五个不同值的平均值，T。为起始 溫度，WL。为该时刻的失重率;Τρ为峰值溫度，WLp为该时刻的失重率;Ts为转变溫度，WLs为该 时刻的失重率。
[001引从表1中数据可知：各賴杆类生物质的降解特性类似，其降解的起始溫度T。(此时 失重率WL。为2%-4%)为197 .l°C-237.6°C，高梁賴杆起始溫度最低，玉米賴杆的起始溫度最 高，且玉米賴杆具有最高的起始溫度失重率，说明玉米賴杆的降解最易开始;Τρ出现的溫度 区间为317.7°C-335.2°C，此时生物质粉体迅速降解，高梁賴杆峰值溫度最高，玉米忍的峰 值溫度最低，说明在较低溫度下，玉米忍即可实现迅速降解;峰值溫度下，各賴杆的失重率 从39.5%到49.2%，此后各粉体仍保持高速降解直至转变溫度;各生物质粉体的Ts为340 ± 6 °C，此时各粉体的失重率大约为60%，玉米忍失重率最高，各賴杆的失重率的大小顺序为:玉 米忍〉高梁賴杆〉玉米賴杆〉大豆賴杆〉棉花賴杆。持续加热试样至600°C，各生物质粉体的热 解活跃区间失重率WLs-WL。的大小顺序为：玉米忍〉高梁賴杆〉玉米賴杆〉大豆賴杆〉棉花賴 杆;残余物含量从22.9%到28.9%不等，残余物含量的差异进一步地说明不同粉体成分的 不同；残余物含量从小到大依次为玉米忍 < 高梁賴杆< 玉米賴杆< 大豆賴杆< 棉花賴杆;玉米 忍残余物含量最低，说明玉米忍的易降解组分含量最高，即挥发分含量最高。
[0019] 热重分析过程中，起始溫度、峰值溫度、热解活跃区溫度跨度、残余物含量等可用 来分析賴杆类生物质热物理特性的分析，预估其成分。而W各升溫条件下的热失重行为为 依据，进行不同賴杆类生物质对賴杆类生物质