木质纤维非均相液化反应过程微波作用的机理研究

Liquefaction is one of the most important thermochemical conversion routes of lignocellulosic biomass. Microwave heating has attracted many interests in the thermochemical conversion of biomass due to its great potential to increase the reactivity of biomass. The chemical structures of the three main components of lignocellulose vary substantially and the reaction mechanism of microwave-assisted liquefaction of lignocellulose is rarely reported. This proposal will study the interaction between the microwave and the liquefaction reaction of lignocellulosic biomass based on the investigation of the dielectric properties of the biomass and the liquefaction reaction system. The reaction mechanism of the microwave assisted biomass liquefaction will be further studied. The effects of the chemical structures and the polar chemical groups of the different components of lignocellulose on their dielectric properties will be investigated. The effective dielectric constant of the liquefaction reaction system will be calculated based on a method combined the theoretic calculation and an experimental protocol. The temperature profile of the liquefaction reaction will be simulated to provide the information of temperature distribution in the microwave field and identify hot and cold spots in the reaction system. The success of this study will provide fundamental knowledge for the scale-up application of microwave heating in the thermochemical conversion of lignocellulosic biomass.

木质纤维液化是生物质热化学转化的重要方向，应用微波加热提高生物质的反应性是国内外学者的研究热点。但木质纤维是由化学结构差异很大的纤维素、半纤维素和木质素等组成,其在微波辅助热转化的相关机理研究鲜有报道。本项目拟以木质纤维生物质为对象，重点研究微波环境下木质纤维生物质微观结构物化特性与其介电性质的响应规律，探明微波对木质纤维的三组分作用相关性；研究二元有机溶剂体系下，微波与木质纤维生物质液化反应过程的相互作用机理，以及离子溶液对木质纤维生物质的液化效能，揭示液化反应体系等效介电常数在体系相态和离子浓度变化情况下的动态响应规律；研究液化体系介电性质的调控方法和对液化产物组分变化的影响因素，阐明不同溶剂体系下，微波协同作用对于产物的作用机理；构建微波液化反应过程的温度分布数值模拟。本项目的研究将为微波加热技术在生物质热化学转化中的规模应用提供理论支撑,具有重要的科学意义和应用价值。

木质纤维生物质是自然界中最重要及最具潜力的可再生资源，如何高效地将木质纤维生物质转化为高附加值生物能源与材料仍是目前国内外学者的研究热点。微波辅助木质纤维生物质热化学转化具有快速性及定向性的优势，本项目研究了具有代表性的三种木质纤维生物质原料及其模型化合物在微波场中介电性质的响应规律与其化学结构的关系。结果显示木质纤维生物质三大组分中纤维素的介电常数及介电损耗明显高于半纤维素和木质素，不同来源木质纤维生物质原料的介电性质进而受到其组分比例的影响。本项目重点研究了木质纤维生物质溶剂液化多元混合体系的等效介电性质，分析了其等效介电性质的影响因子，探讨了在微波辅助液化过程中多相混合体系等效介电性质随温度及反应进程的变化规律。结果表明在多元体系中由于生物质的介电响应敏感性远低于极性溶剂，其对混合体系等效介电性质的影响与反应体系中的固液比呈正相关。液化反应中添加的酸催化剂在微波辐射加热过程中给体系引入了离子传导机制，造成液化反应体系介电损耗大幅增加，但对体系的介电常数没有明显影响。在生物质液化反应进程中以葡萄糖为代表的降解产物对体系的等效介电性质无明显影响。在研究了混合体系介电性质随反应进程变化规律的基础上对以杨木粉为原料，乙二醇/水二元溶剂为液化介质及硫酸为催化剂在1m3中试微波反应釜中的液化反应过程进行了仿真模拟。模拟结果表明微波在反应体系中反射功率与反应釜装料体积相关，在搅拌系统辅助下反应釜内能迅速形成稳定场流。反应物内部大部分区域在反应过程中温度分布均匀，但在物料表面搅拌轴中心位置存在少量温度高于物料平均温度50C左右的小区域“热点”。实际反应过程监测的升温规律与模拟数据基本吻合。本项目的研究结果为设计高效、节能和加热均匀的工业化生物质热化学转化微波反应器和有效控制热转化过程提供重要的理论基础。