生物质炭是由生物质在缺氧或无氧的情况下,经高温慢速热解产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质,在能源、农业、环境和材料领域有广阔的应用前景.该文以纤维素、半纤维素和木质素为原料,采用程序控温管式炉,在不同的热解温度条件下(250、350、450、550、650、750和850℃)制备生物质三组分炭材料,并利用元素分析仪、量热仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、核磁共振波谱仪(13C NMR)、热重分析仪(TG)和扫描电镜(SEM)等仪器对其物理化学性能进行表征,研究热解温度对生物质三组分炭材料理化性能的影响.结果表明:随着热解温度增加,生物质三组分炭的质量产率和能量产率都呈下降的趋势,纤维素炭、半纤维素炭和木质素炭的质量产率分别从94.23％、63.06％和87.14％减少至17.01％、20.67％和41.40％,能量产率分别从94.23％、55.7％和77.82％减少至58.69％、12.91％和31.09％.随着热解温度增加,生物质三组分炭中C元素的含量逐渐增加,而H元素、O元素、H/C、O/C的含量逐渐减少,尤其在250～450℃范围内下降最为显著.随着热解温度增加,FTIR分析表明-OH、-CH3、-CH2、C=O、C=C、苯环骨架、C-O、C-H等官能团含量显著下降,并且在高温热解时红外曲线几乎变为直线.随着热解温度增加,XRD分析表明生物质三组分炭中的三斜晶系(Iα)和单斜晶系(Iβ)衍射峰的强度逐渐降低,而石墨化微晶碳的002衍射峰和101衍射峰的强度逐渐增加;13C NMR分析表明生物质三组分炭中的烷基碳、含氧烷基碳和羧基碳含量逐渐减少,而芳基碳的含量则显著增加,证明高温有利于类石墨化结构形成.随着热解温度的增加,纤维素炭和半纤维素炭的热失重率逐渐下降,而木质素炭的热失质量率逐渐增加,三组分炭的热失质量峰值往高温一侧移动.随着热解温度的增加,生物质三组分炭的颜色逐渐加深,其中纤维素炭发生皱缩现象,其直径不断减小,半纤维素炭发生熔融和发泡现象,变为薄片状的炭材料,木质素炭的孔结构变得更加发达,并且出现球状的金属结晶体.该文研究结果可为生物质炭的制备和应用提供基础数据.
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