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低濃度酸對(duì)糖類(lèi)物質(zhì)的碳化現(xiàn)象分析論文
引言
能源是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的命脈、社會(huì)發(fā)展的基本動(dòng)力，隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及世界人口的增長(zhǎng)，必將使能源消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)。由此帶來(lái)的能源與環(huán)境危機(jī)也日漸凸顯，所以開(kāi)發(fā)可再生能源成為減碳和實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。生物質(zhì)作為生物質(zhì)能量的載體，是一切有生命的可以再生的有機(jī)物質(zhì)的總稱(chēng)，被認(rèn)為是唯一一種可儲(chǔ)存和可運(yùn)輸?shù)目稍偕寄茉�。生物質(zhì)在燃燒過(guò)程中排放的CO2量等于其在生長(zhǎng)過(guò)程中從大氣中吸收的CO2量，所以生物質(zhì)具有CO2零排放不會(huì)造成溫室效應(yīng)的特點(diǎn)，適合燃燒轉(zhuǎn)化利用，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生能源燃料，進(jìn)而引起了世界能源工作者極大的關(guān)注。從化學(xué)的角度上看，生物質(zhì)主要由C, H, O, N, S等物質(zhì)組成，前三個(gè)是主要組成成分。一些研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃料過(guò)程能量釋放主要取決原料成分訓(xùn)。其中C和H對(duì)于生物質(zhì)燃燒在釋放能量方而具有積極的作用，而O則起到負(fù)面作用。
許多相關(guān)文獻(xiàn)都報(bào)道了生物質(zhì)燃料存在含碳量低、氧量高的特點(diǎn)，從而在燃燒時(shí)存在熱值低，燃燒不穩(wěn)定等的缺點(diǎn)。如Dcmirbas在其關(guān)于不同生物質(zhì)燃料燃燒特性的文章中，詳細(xì)的介紹了與固體礦物燃料對(duì)比，生物質(zhì)燃料所包含的碳含量很少并且氧含量很高，所以生物質(zhì)燃料的熱值顯著的低于大部分煤。許多作者如Sahu等在他們的文章中同樣也列出了生物質(zhì)燃料碳含量明顯低于煤，而氧含量是煤的2 - 4倍，熱值明顯低于煤。針對(duì)以上所描述的生物質(zhì)燃料在燃燒中存在的不足，本研究的目的是希望通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到一種零耗能的方法，用以降低生物質(zhì)中氧含量并提高碳含量，改善其熱值低和燃燒不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，從而使生物質(zhì)燃燒利用率增加。
木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等是半纖維素的結(jié)構(gòu)單元，所以這些糖類(lèi)物質(zhì)也是生物質(zhì)的重要組成部分。賀安琪等曾在研究中發(fā)現(xiàn)，含大量水分的濃鹽酸在常溫常壓條件下與葡萄糖可以產(chǎn)生類(lèi)似濃硫酸脫水的“碳化”現(xiàn)象根據(jù)這一現(xiàn)象，近期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低濃度的鹽酸、高氯酸和硫酸在常溫常壓下對(duì)其他糖類(lèi)物質(zhì)也有“碳化”現(xiàn)象，且有快慢之分，但對(duì)糖醇類(lèi)等物質(zhì)沒(méi)有此現(xiàn)象發(fā)生。從上述研究中選用與鹽酸、高氯酸和硫酸反應(yīng)有明顯碳化現(xiàn)象的幾種糖類(lèi)進(jìn)行詳細(xì)研究。通過(guò)滴定的方法發(fā)現(xiàn)各種酸都有少量的消耗，但可以用于循環(huán)利用。對(duì)其碳化殘余物進(jìn)行元素分析、XPS和紅外測(cè)試等方法進(jìn)行測(cè)試表征。結(jié)果得出在常溫常壓零耗能的條件下糖類(lèi)物質(zhì)與酸反應(yīng)后，所剩殘余物的碳含量升高并且氧含量降低。這為可能改善生物質(zhì)燃料熱值低、燃燒不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高能量密度能源物質(zhì)提供了新的機(jī)會(huì)
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1儀器
使用北京先驅(qū)威鋒技術(shù)開(kāi)發(fā)公司生產(chǎn)的ZDJ-400全自動(dòng)多功能滴定儀的酸滴定法對(duì)各樣品的稀酸進(jìn)行氫離子濃度的測(cè)定。PH復(fù)合電極/型號(hào):E-201-9型(北京先驅(qū)威鋒技術(shù)開(kāi)發(fā)公司). XPS; Analytical Ltd.(日本島津集團(tuán)全資子公司)生產(chǎn)，型號(hào):Axis Ultra;鋁(Al)靶配石英單色器及雙陽(yáng)極(Mg和Al)靶;Minibcamm型離子槍;能量分辨率:0-8 CV(Ag 3d)。
采用Elcmcntar Analyscnsystcmc UmbH公司生產(chǎn)的元素分析儀對(duì)樣品碳、氫元素的含量進(jìn)行測(cè)定。
使用Scientific公司生產(chǎn)的紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，光譜分辨率:4CM,掃描次數(shù):64，掃描范圍為4000-650.
2結(jié)果與討
2.1酸碳化單糖現(xiàn)象
觀察靜置數(shù)天的加酸的糖類(lèi)物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)不同濃度的鹽酸、硫酸和高氯酸對(duì)糖醇類(lèi)物質(zhì)以及鹽酸氨基葡萄糖都不能進(jìn)行碳化反應(yīng)，但可以對(duì)2-脫氧-D-核糖、果糖進(jìn)行不同程度的碳化反應(yīng)，并且同濃度的酸對(duì)不同的糖類(lèi)物質(zhì)碳化反應(yīng)有快慢之分。其中各酸對(duì)2-脫氧-D-核糖的碳化反應(yīng)速度都最為迅速，幾分鐘之內(nèi)反應(yīng)液的顏色就由淺黃色變?yōu)樽仙詈蟪屎谏�。其他糖�?lèi)物質(zhì)的反應(yīng)液隨著時(shí)間的推移顏色也逐漸加深。濃度為8 mol的高氯酸對(duì)糖類(lèi)物質(zhì)的碳化能力明顯強(qiáng)于濃度為5mol，的高氯酸。
2. 2酸耗損量研究
取氫離子濃度為8 mol的鹽酸、高氯酸各2 mI，分別與1g的2-脫氧-D-核糖、果糖混合。在上述反應(yīng)中，酸中氫離子摩爾數(shù)與糖中輕基摩爾數(shù)比在0. 56-0. 71之間，說(shuō)明反應(yīng)中糖的輕基量過(guò)量，足以使酸中的氫離子充分利用。反應(yīng)一周后，用1. 70 mol氫氧化鈉溶液中和反應(yīng)液至pH 10左右。并用0. 108 mol，的HCl標(biāo)準(zhǔn)液滴定NaOH溶液的剩余摩爾量。從而計(jì)算出與糖反應(yīng)后酸的剩余摩爾量。并與空白組稀酸的含量進(jìn)行對(duì)比。高氯酸與糖反應(yīng)后消耗的酸量占原酸含量為19. 6200, 18. 9900, 22. 1500, 20. 8900;鹽酸與四種糖反應(yīng)后消耗的酸量占原酸含量為19. 8700, 20. 5100,19. 2300, 5. 1300�？梢钥吹剿岬南牧看笾抡荚崃康�1/5,剩余酸的處理可以循環(huán)再利用。
2. 3元素分析
2-脫氧-D-核糖、果糖與8 mol的高氯酸、鹽酸反應(yīng)前后碳?xì)浜孔兓闹锌梢钥吹絻煞N糖在與酸反應(yīng)后樣品的碳含量都有所增加，而氫的含量也都呈下降趨勢(shì)。2-脫氧-D-核糖與酸反應(yīng)后碳?xì)淠柋染稍瓉?lái)的增加到1. 1和1. 2，果糖與酸反應(yīng)后值也都由原來(lái)的增加到1. 3。上述結(jié)果說(shuō)明，2-脫氧-D-核糖和果糖與酸反應(yīng)后可能形成芳環(huán)或稠環(huán)化合物，這是使產(chǎn)物顏色變黑的主要原因。
2-脫氧-D-核糖、果糖分別與8 mol的高氯酸、鹽酸反應(yīng)前后顯微紅外對(duì)比光譜圖。從兩種糖的光譜中可以觀測(cè)到在與酸反應(yīng)后，3 X00 cm附近的輕基峰明顯減小，且1 000 cm附近的伸縮振動(dòng)峰也明顯降低，證明了與酸反應(yīng)過(guò)程中糖類(lèi)物質(zhì)發(fā)生了脫輕基。而在1 600cm都出現(xiàn)了新的碳碳雙鍵峰，可見(jiàn)與酸反應(yīng)后脫去輕基的同時(shí)也使糖的碳含量增加。在1 700 cm出現(xiàn)了新的欺基峰，用0. 1 mol的NaOH清洗與酸反應(yīng)后的樣品再測(cè)試，觀察到峰位并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，則說(shuō)明此峰并不是梭基峰。
3結(jié)論
低濃度的酸在常溫常壓零能耗的條件下可以不同程度的碳化多種糖類(lèi)物質(zhì)。通過(guò)各種表征結(jié)果得出，反應(yīng)后殘余物質(zhì)的碳含量都有明顯的增高，且氧含量也降低的現(xiàn)象。此方法的應(yīng)用有可能彌補(bǔ)了生物質(zhì)燃料存在的碳含量少、氧含量高，燃燒過(guò)程中不易燃燒完全和熱值低的缺點(diǎn)。且反應(yīng)后酸中氫離子摩爾數(shù)消耗不多，可以用于循環(huán)利用，減少污染。值得提出的是，本實(shí)驗(yàn)中所有的反應(yīng)都是在零能耗的條件下進(jìn)行的，這大大減少了能源的消耗。此研究的結(jié)果可能為改善生物質(zhì)燃燒特性，產(chǎn)生更高能量密度能源提供了新的機(jī)會(huì)。
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