李雅丽,刘娟,高锦红.农作物秸秆的热值及纤维素含量分析[J].化学与生物工程(2016)33(9):67,70.

　　摘要:对常见农作物秸秆小麦、玉米、棉花秸秆进行碱处理及热重分析与热值测定,并通过硝酸乙醇法测定其纤维素含量。结果表明,棉花秸秆粉的热值最高,小麦秸秆粉次之,玉米秸秆粉最低;小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆中纤维素含量分别为37.91%、47.38%、43.66%;用10%NaOH溶液处理后其纤维素含量都有不同程度增高,其增长率为小麦秸秆玉米秸秆棉花秸秆,为农作物秸秆的预处理和综合利用提供了一定的参考。

　　当前,我国每年有超过70%的农作物秸秆作为燃料或在田间被直接焚烧,破坏生态平衡,导致环境污染。近年来,农作物秸秆的开发利用引起了广泛关注,将秸秆中丰富的天然植物纤维素作为制备高吸水性树脂的原料[1],具有生物可降解性、耐盐性好、耐霉性突出等优点,为天然纤维素的高值化利用提供了一条新途径。

　　碱处理法是一种常用的较为有效的植物纤维素原料化学预处理方法[2]。 万和城招商主管，植物纤维素的碱水解处理,是利用碱溶液可以溶解木质素、半纤维素的特点,破坏纤维素、木质素与半纤维素之间的紧密结构,降低植物纤

　　维素原料的聚合度与结晶度,同时可以使植物纤维素原料发生溶胀作用,提高水解效率。

　　作者对几种常见农作物秸秆如小麦、玉米、棉花秸秆进行热重分析及热值测定,并通过硝酸乙醇法测定其纤维素含量,对比分析了碱处理前后秸秆中纤维素含量的变化,对今后制备纤维素类高吸水性树脂原料的选择与秸秆的综合利用提供一定的参考。

　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(21503150),渭南师范学院自然科学基金资助项目(14YKS001),渭南师范学院特色学科项

　　作者简介:李雅丽(1965-),女,陕西渭南人,教授,从事高分子复合材料的研究(E)mail:。

　　ZRY,2P型高温综合热分析仪,上海精密科学仪器有限公司;MJ,02型多功能粉碎机,上海浦恒信息科技有限公司;标准检验筛(40目、60目),上虞道墟张兴纱筛厂;HH,2型数显恒温水浴锅,常州国华电器有限公司;TDL80,2B型离心机,上海安亭科学仪器厂;WLS立式充氧器,南京大学应用物理研究所;SHR,15B型燃烧热实验装置,南京桑力电子设备厂。

　　将玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆洗涤、晾晒,剪成1cm左右小段,在95℃下烘干10h。粉碎,筛选出40~60目的试样,置于干燥处。

　　将秸秆粉在95℃烘干2h,冷却至室温,待质量恒定后,准确称取30g样品置于三口圆底烧瓶中,按固液比1∶12(g∶mL)加入360mL质量分数为10%的NaOH溶液,在95℃水浴中搅拌碱煮2h,离心分离,用热蒸馏水洗至中性,95℃烘干,得到碱处理后的样品。

　　取碱处理后烘干至恒重的小麦秸秆粉8.80mg、棉花秸秆粉9.55mg、玉米秸秆粉6.40mg,采用高温综合热分析仪分别进行热重分析,设置升温范围为50~700℃,升温速率为10℃·min-1。

　　精确称取苯甲酸标准试样压片,在燃烧热实验装置中进行标定,计算热量计的水当量。再取碱处理过的秸秆粉烘干至恒重,装于胶囊中,采用燃烧热实验装置分别对空胶囊、小麦秸秆粉、玉米秸秆粉、棉花秸秆粉进行燃烧热测定分析。秸秆粉的热值按式(1)计算[3]:

　　式中:m胶囊、m秸秆为胶囊、秸秆粉的质量,g;Q胶囊、Q秸秆为胶囊、秸秆粉的恒容燃烧热,J · g-1 ;l和Ql是引燃丝的长度(m)和单位长度燃烧热(J ·m-1) ;m水和C水为测定介质水的质量(g)和比热容(J · g-1 ·K-1 ) ;C计为热量计的水当量(J ·K-1 ) ,ΔT为样品燃烧前后水温的变化值,K。

　　在植物细胞壁中,纤维素分子形成纤维丝,嵌在半纤维素和木质素之间,形成网状结构,使纤维素水解比较困难。当用浓硝酸和乙醇处理样品后,其中大量的半纤维素被水解、氧化而溶出;其中的木质素被硝化并部分氧化,生成硝化木素和氧化木素,溶于乙醇。 由于纤维素本身不易水解,乙醇介质又可以减小硝酸对纤维素的水解和氧化,从而尽可能在纤维素不被破坏的条件下除去植物秸秆中的木质素与半纤维素成分[4] 。

　　(1)硝酸乙醇混合液的配制:在通风橱中,取200mL无水乙醇于500 mL烧杯中,量取50 mL浓硝酸,分10次缓缓加入无水乙醇中,边加边搅拌,充分混匀,置于棕色试剂瓶中备用。

　　1.0000 g(m0) ,置于100 mL锥形瓶中,加入25 mL硝酸乙醇混合液,在100℃沸水浴回流1 h,离心分离。加入25 mL硝酸乙醇混合液,全部转移至锥形瓶中,重复上述操作3次至纤维素变白。用热蒸馏水洗涤至中性,再用无水乙醇洗涤数次,转移至坩埚中,待无水乙醇挥发,105℃烘干至恒重,称质量(m1 ) ;然后在马弗炉中于一定温度下焙烧至恒重,称质量(m2)[5] 。纤维素含量按式(2)计算:

　　由图1可知,小麦秸秆粉、棉花秸秆粉、玉米秸秆粉在焙烧后质量恒定的温度分别为490℃、550℃、530℃。 因此,确定这3个温度为测定灰分质量时3种农作物秸秆粉的焙烧温度。

　　苯甲酸标准试样和3种农作物秸秆粉的雷诺温度校正图如图2所示,3种农作物秸秆粉热值的实验值及文献值列于表1。

　　研究表明:秸秆的热值与秸秆中的纤维素、木质素含量呈正相关关系,即纤维素、木质素含量越高,热值越高[6] 。实验测得棉花秸秆粉的热值最高,小麦秸秆粉次之,玉米秸秆粉最低,这3种农作物秸秆粉热值高低与文献一致。 由于秸秆的热值与纤维素、木质素含量呈正相关关系,通过测定3种农作物秸秆粉的热值可以为测定不同秸秆中纤维素含量提供一定依据。

　　研究发现不同植物秸秆的内部显微结构不同,不同植物在生长过程中的糖化率不同,因此不同植物秸秆的纤维素和半纤维素含量也不同[5] 。 由表2可见,3种农作物秸秆粉的纤维素含量存在明显差异。玉米秸

　　秆粉的纤维素含量最高,棉花秸秆粉的纤维素含量次之,小麦秸秆粉的纤维素含量最低。

　　从表3可以看出,同一种农作物秸秆粉碱处理前后纤维素含量存在明显差异。这主要是因为不同种类秸秆的基因不同,纤维素的沉积方式和细胞骨架也不同,从而使纤维素的含量和结晶度不同[6] 。小麦秸秆粉、玉米秸秆粉、棉花秸秆粉在碱处理后纤维素含量几乎比碱处理前分别提高了1倍、0. 75倍、0. 5倍。不同种类秸秆粉在相同条件下碱处理前后纤维素含量的增长率不同。小麦秸秆粉碱处理后纤维素含量增长率最

　　(3)实验测得棉花秸秆粉的热值最高,小麦秸秆粉次之,玉米秸秆粉最低,3种农作物秸秆粉热值高低与文献一致。

　　样品 小麦秸秆粉处理前 碱处理后 玉米秸秆粉处理前 碱处理后 棉花秸秆粉处理前 碱处理后 (4)3种农作物秸秆粉经碱处理后纤维素含量均幅度增长,小麦秸秆粉中纤维素含量增长率最高,玉

　　米秸秆粉次之,棉花秸秆粉最低。 因此,对农作物秸杆原料的碱处理方法是可行的。

　　[3] 复旦大学物理化学实验[M]北京:高等教育出版社,2004:34,

　　(1)通过热重分析实验,确定小麦秸秆粉的焙烧温度为490℃、玉米秸秆粉的焙烧温度为530℃、棉花秸秆粉的焙烧温度为550℃。

　　(2)采用硝酸乙醇法测得玉米秸秆粉的纤维素含量最高,棉花秸秆粉次之,小麦秸秆粉最低。

　　[6] 岳建芝,张杰,徐桂转,等玉米秸秆主要成分及热值的测定与分析[J]河南农业科学,2006(9) :30,32

　　由表10可知,在常温下,低品位胶磷矿利用自制的正选和反选捕收剂通过一系列的工艺流程可生产出合格的精矿产品。

　　由表11可知,新的药剂及工艺条件下,药剂成本降低;常温浮选不再使用蒸汽加温,在降低成本的同时,也减少了因高温蒸汽而导致的危险;尾矿回水循环利用,减少了环境污染与水资源的浪费。

　　利用选矿回水对低品位胶磷矿进行了常温浮选试验。结果表明:采用自制的正选和反选捕收剂,在自然环境下通过正反浮选工艺,能用品位为15. 31%P2O5 、5. 90%MgO的胶磷矿原矿生产出品位为

　　理,通过简单的破乳聚沉后可以直接用于选矿工艺,既能降低生产成本,又能减少环境污染。虽然中试药剂用量要多于小试用量,但与传统药剂和工艺相比,新工艺更加简单、安全,且吨精矿成本降低约70元。参考文献:

　　注:括号外数值为吨级正反连续浮选数据,括号内数值为传统工艺药剂成本(2012年12月) 。