快速和慢速热解对棉秆生物炭理化特性及土壤持水量的影响

以新疆棉秆为原料,在300~700℃下利用快速和慢速热解方式制备了生物炭,研究了快速和慢速热解对棉秆生物炭形貌、表面官能团、pH值、元素组成的影响.利用室内土柱试验,研究了不同条件下制备的生物炭对土壤持水量的影响.结果表明:1)随着热解温度的升高,生物炭产率下降,pH值提高,孔隙度增加.快速热解生物炭具有孔隙发达、芳香性高、稳定性强的优点.2)土壤持水量随着生物炭添加量和热解温度的升高而提高.生物炭添加量为0.03 g/g时,土壤持水量分别为51.7%和49.7%,比未添加生物炭提高了32.5%和27.4%.3)添加生物炭土壤15 d后保水量仍有40.3%,远高于纯土壤,且添加快速热解生物炭的土壤保水量高于慢速热解生物炭.

棉秆和油页岩共热解生物炭的氨氮吸附性能研究

使用棉秆(CS)和油页岩(OS)为原料,采用共热解的方式制备了共热解生物炭,探究了对氨氮的吸附性能。考察了不同热解时间、CS和OS比例、热解温度、CS的粒径对共热解生物炭的氨氮吸附量的影响规律,确定了最佳制备条件,并研究了吸附动力学和吸附等温线模型。研究表明,棉秆和油页岩共热解后生物炭的结构特性和表面形貌有较大改善,对氨氮的吸附能力有明显的提高。最佳的制备条件是热解温度为500℃、m(棉秆)∶m(油页岩)=3∶1、热解时间为30 min和CS的粒径为0.20~0.30 mm。在投加量为10.0 g/L、pH 9.0时,最佳条件所制备炭的吸附量为4.89 mg/g,是棉秆生物炭的2.2倍。吸附过程以准二级动力学和Langmuir等温吸附模型描述。吸附机制主要包括为离子交换、静电吸附和配位作用。

新疆棉秆回收机械化现状及发展对策

新疆是我国最大的棉花产区和优质棉生产基地,棉花种植面积和产量均居全国首位。棉秆作为棉花的主要副产物,是一种重要的农业可再生资源,其利用价值越来越受到关注。棉秆回收机械化作为棉秆收储运的首要环节,是保障棉秆离田综合利用的前提,解决棉秆回收机械化问题对提高其综合利用率、改善生态环境和提高经济效益具有重要现实意义。本文分析了新疆棉花生产与棉秆资源现状,概述了国内外典型的棉秆回收机械研究与应用现状,总结了我国棉秆回收机械的类型、关键技术、性能特点、存在问题和发展趋势,指出了现阶段我国棉秆回收机械化程度低、收储运体系不完善是制约其综合利用的瓶颈问题,提出要加强棉秆回收机械研发创新力度,突破核心关键技术;同时完善收储运体系建设,建立离田回收利用技术模式。

淖毛湖煤和棉秆共热解协同效应分析

煤和生物质共热解过程中,填料方式会显著影响挥发分之间相互作用及产物分布。分析分隔放置(Case 1)、机械混合(Case 2)、煤在棉秆上层(Case 3)和煤在棉秆下层(Case 4)4种填料方式下淖毛湖煤(NMH)和棉秆(CS)共热解产物的分布、组成及性质,并结合分形理论研究共热解半焦的孔隙特征,探究共热解协同效应。结果表明,NMH和CS协同作用因填料方式不同而变化,填料方式对共热解产物分布及性质影响大。用Case 4方式时,共热解焦油产率最高,为15.94%,较理论计算值增加3.89%,正协同效应最显著。此时,CS热解产生的富氢组分及时与NMH热解挥发物发生交互作用,导致H_(2)、CH_(4)和C_(2)~C_(4)产量较理论值降低,共热解焦油产率增加。不同填料方式对共热解焦油中轻油馏分均产生负协同作用。含氧化合物相对含量减少可能是因为共热解过程促进脱氧反应(如脱羧和脱羰基化等),进一步生成脂肪烃,减少含氧官能团发生交联反应;在共热解中,·H自由基与活性含氧基团产生正协同作用,促使焦油中O、N、S原子向固体或气体产物转移。由半焦分形结果可知半焦分形维数D_(1)和D_(2)均在2~3间,说明半焦粗糙度和孔结构均满足分形结构基本特征。对于Case 3和Case 4方式,位于下层样品半焦的表面更粗糙。用Case 3方式所得CS-C孔隙更小;而Case 4方式所得NMH-C孔隙更不均匀,孔结构更复杂。

水热及水热氧化预处理对棉秆基成型炭和活性炭性能的影响

水热及水热氧化预处理可以调整生物质内部组分占比,有效促进生物质资源多元化利用。以棉秆为实验原料,经160℃~260℃水热及水热氧化预处理后制备成型炭和活性炭,并使用范式法、热重分析和X射线光电子能谱等测试手段,分析了水热及水热氧化预处理后生物质内部组分的演变对棉秆基成型炭和活性炭的产率、理化性能的影响。结果表明:水热及水热氧化预处理后棉秆中半纤维素和纤维素的分解有利于成型炭的产率和能量密度的增加;与水热预处理相比,水热氧化预处理进一步提高了成型炭的产率及热值,可在一定程度上降低预处理强度;棉秆基活性炭的总产率受预处理产率和活化产率的综合影响;随着水热及水热氧化预处理温度的升高,活性炭总产率呈现先升高后降低趋势,并在预处理温度为200℃获得的最大产率分别为36.95%和29.17%;与原料活性炭相比,水热及水热氧化预处理棉秆基活性炭的前驱体表面含氧官能团含量显著提升,有利于后续的氯化锌活化,得到的活性炭比表面积显著增加,吸附性能更优;此外,在180℃和200℃下水热氧化后的棉秆基活性炭碘吸附值均达到GB/T 13803.2-1999制净水用活性炭的二级品标准。

KOH含量对棉秆碳结构特征及锂硫电池正极性能的影响

以棉秆为生物质源、KOH为活化剂、单质硫为储能物质,采用炭化-活化-高压3步法制备高性能碳硫复合材料,并探究KOH用量对活性碳结构以及复合材料电化学性能的影响。结果表明,KOH的活化促进了活性碳中10 nm以下孔的发育,碳碱质量比(棉秆碳化后的碳:KOH质量比)为1∶4时活性碳的比表面积和孔体积达到最大,分别为3068.15 m^(2)/g和1.68 cm^(3)/g。过量的KOH活化导致3~9 nm部分孔的坍塌,使得微孔/小介孔向大介孔或大孔转化,比表面积和孔体积缩小。复合材料的电化学性能和活性碳的孔体积呈正相关,碳碱质量比为1∶4时制备的活性碳与硫进行复合的碳硫复合材料展现出最佳的电化学性能。在0.1 C的电流密度下经过100次循环之后,仍可保留787 mAh/g的放电容量;在2 C的电流密度下也可展现出582 mAh/g的高比容量。

棉秆掺烧对燃煤锅炉燃烧特性影响的数值模拟研究

以某热电公司330 MW锅炉为研究对象,基于Fluent数值模拟软件对煤粉与棉秆混燃特性进行研究。以其结构参数与运行参数为依据,研究纯煤工况以及生物质不同掺烧比例、不同掺烧方式的6种工况。通过分析各个工况时炉膛的速度场、温度场、烟气组分及污染物NO的变化趋势,确定出最佳燃烧方式以提高燃煤效率,减少NO污染物排放。结果显示:相比于纯煤燃烧,掺烧棉秆后炉内主燃区温度降低,炉膛出口O_(2)含量减少,NO排放量随掺烧比例增大而减小。在掺烧方式的比较中,只在D层喷入棉秆有利于减少NO排放,其NO排放率较混合燃烧工况降低了15.2%。

响应面法优化棉秆水热液化生产腐植酸的运行条件

为优化棉秆水热液化生产含腐植酸液态肥的运行条件,确定反应条件间的交互作用及其反应产物的组成,采用三因素三水平的响应面分析方法,探究了反应温度(X1,260~340℃)、反应时间(X2,30~90 min)和物料质量分数(X3,5%~10%)对水溶肥腐植酸产率的影响。回归模型方差分析表明,反应温度、反应时间以及物料质量分数均对腐植酸产率有较大影响。其中,物料质量分数是最重要的参数。腐植酸产率的最佳反应条件为:反应温度300℃,反应时间90 min,物料质量分数10%。在此条件下,腐植酸产率为4.10%,高于国家含腐植酸水溶肥标准(NY 1106—2010)中规定的腐植酸含量(不小于3%),与预测值吻合较好。GC-MS分析表明,棉秆水热液化的水溶性产物主要含有酚类及其衍生物、酮类、醛类、醇类以及有机酸化合物。

基于微型流化床的油页岩与棉秆共热解特性及其动力学

采用微型流化床反应分析仪分析油页岩与棉秆共热解特性,探讨不同热解温度和混合比例对H_(2)、CH_(4)、CO、CO_(2)释放特性的影响,并利用等转化率法求解动力学参数,研究共热解过程中的相互作用。结果表明,油页岩和棉秆的单独热解气体释放特性存在明显差异,而在等温共热解过程中,棉秆的添加能加快反应的转化率,提高气体生成速率。通过Friedman-Reich-Levi方法计算气体生成活化能,结果显示共热解活化能明显低于理论值,表明共热解能提高原料热解反应性,促进气体的生成。

修饰改性棉秆介微多孔炭材料对甲醛气体的吸附性能研究

炭材料修饰改性是提高炭基材料吸附挥发性气体能力的重要手段。首先使用KOH对棉秆基炭材料刻蚀改性,再使用碳酸钠(Na_(2)CO_(3))和亚硫酸氢钠(NaHSO_(3))进行修饰改性,研究未改性棉秆炭材料(C)、KOH改性棉秆炭材料(C_(k))以及Na_(2)CO_(3)与NaHSO_(3)改性炭材料(C_(k-s))对甲醛性能的影响,采用正交试验方法优化了棉秆介微多孔炭材料的最佳制备工艺,通过比表面积测试、扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪对制备的材料进行了表征。结果表明:C、C_(k)和C_(k-s)平均孔径分别为2.51nm、2.15nm和1.93nm,三者均为介微多孔炭基材料,C_(k)和C_(k-s)对甲醛去除率分别高达84.0%和86.4%,相较于未改性C(甲醛去除率24.1%)均有极大提高;C_(k-s)平均孔径、比表面积和总孔容均小于C_(k),但对甲醛去除率略高于C_(k),说明Na_(2)CO_(3)和NaHSO_(3)对低比表面积炭材料进行修饰改性具有提高其吸附甲醛的能力。C_(k)和C_(k-s)的吸附过程分别符合准一级和准二级动力学模型,为单分子层吸附,理论最大吸附量分别达3.95mg/g和5.78mg/g。

工业灰渣-棉秆纤维灌孔砌块砌体的抗剪性能研究

为研究工业灰渣-棉秆纤维灌孔砌块砌体的抗剪性能,对48个工业灰渣-棉秆纤维灌孔砌块砌体和6个未灌孔工业灰渣-棉秆纤维空心砌体进行了抗剪试验,探究了砌筑砂浆抗压强度、芯柱抗压强度和预压力对灌孔砌块砌体破坏特征、峰值位移和抗剪强度的影响,分析了灌孔砌块砌体的剪切变形性能。结果表明:提高砂浆抗压强度、芯柱抗压强度和预压力均能不同程度地提升灌孔砌块砌体的抗剪强度和峰值位移,其中芯柱抗压强度和预压力对砌体抗剪强度和峰值位移影响较大;与砂浆部分相比,随着芯柱抗压强度的提升,芯柱部分对砌体抗剪强度的贡献越来越大。基于梁式抗剪模型,提出了适用于无预压状态下工业灰渣-棉秆纤维灌孔砌块砌体的抗剪强度计算公式;根据试验结果拟合了预压状态下砌体的抗剪强度计算公式。

塔里木盆地棉秆还田养分释放规律研究

为研究还田后棉秆在自然条件下的养分释放规律,以塔河2号棉秆为研究对象,2023年在新疆阿拉尔市采用尼龙网袋法设置棉花秸秆粉碎后还田试验,统一棉秆施入量与还田深度。于秸秆还田前和还田后15 d开始至还田后150 d每间隔15 d取棉秆和土壤样品,测定棉秆有机碳和土壤有机质含量以及两者的氮、磷、钾含量。结果表明,还田棉秆腐解时营养元素呈先快速释放后缓慢释放的规律,释放速率为钾>磷>碳>氮,还田后土壤中有机质、铵态氮、有效磷、速效钾含量分别增加145.2%、106.9%、286.1%、123.4%。这些结果可为棉秆还田与化肥施用的合理配比提供依据。

棉秆韧皮浆粕的制备与性能测试

通过高温蒸煮和有机酸与乙醇组合溶解方式对棉秆韧皮进行制浆,并以浆粕得率为依据进行工艺优化。用核磁共振、红外光谱和热重分析等技术对制浆前棉秆韧皮和制浆所得浆粕的聚合度、相对分子量、Iα纤维素含量、分子结构和热学性能等指标进行表征。结果表明:棉秆韧皮制浆的最佳工艺为温度100℃、处理时间120 min、过氧化氢质量分数10%、乙醇质量分数60%;经制浆处理,棉秆韧皮中的木质素和半纤维素发生了部分酯化和酰化,使得其中的Iβ纤维素和微纤维结构受到破坏,热学性能下降,Iα纤维素含量增加。

齿板式棉秆扶拔装置设计与试验

针对新疆地区棉秆整株拔取难、拔断率、漏拔率高的问题,该研究设计一种齿板式棉秆扶拔装置,以不入土拔取棉秆,减少对地膜影响。齿板式棉秆扶拔装置由V型齿板组、扶禾皮带、调节装置等组成。采用解析法对V型齿板组、扶禾皮带夹秆运动过程进行分析,建立V型齿板组夹秆点速度方程和扶秆轨迹,结合棉花种植农艺要求得到齿板转速大于前进速度,夹持皮带水平分速度大于前进速度,确定工作参数范围。为了探明各参数对拔秆效果的影响,以拔断率、漏拔率为指标,以前进速度、齿板转速、皮带线速度为试验因素,使用Design Expert 13设计三因素三水平二次回归正交试验。结果表明,皮带线速度大于0.85 m/s、前进速度大于0.8 m/s时对拔断率、漏拔率影响最大。响应曲面优化试验得出装置的最佳参数组合为:前进速度0.63 m/s、齿板转速58.57 r/min、皮带线速度0.71 m/s,此时拔断率、漏拔率分别为3.90%和4.34%。田间试验结果表明:前进速度0.65 m/s、齿板转速58 r/min、皮带线速度0.71 m/s时,拔断率、漏拔率分别为3.87%、4.48%与理论预测值相对误差在5%以内,优化结果可靠。研究结果可为棉秆整株起拔装置设计提供参考。

老化棉秆炭对土壤性质和小麦氮肥利用的影响

为研究不同老化棉秆炭(冻融老化、干湿老化、柠檬酸老化)对土壤性质、小麦氮肥利用效率的影响,设置不施氮、低氮(200 mg·kg^(-1))、高氮(400 mg·kg^(-1))3个施氮水平和不添加棉秆炭(B0)、添加新鲜棉秆炭(BC)、添加干湿老化棉秆炭(DB)、添加冻融老化棉秆炭(EB)、添加柠檬酸老化棉秆炭(CB)5个棉秆炭处理,分析小麦干物质量及氮素吸收量、土壤理化性质的变化。结果表明,与未添加棉秆炭处理相比,不同施氮水平下老化棉秆炭处理的土壤有机质含量显著增加、电导率无显著差异,冻融循环和干湿交替老化棉秆炭处理的土壤pH显著增加,柠檬酸老化和冻融循环老化棉秆炭处理的土壤全氮含量显著增加;与新鲜棉秆炭处理相比,不同施氮水平下柠檬酸老化棉秆炭处理的土壤全氮和有机质含量显著增加,土壤pH显著降低。低量施氮时不同处理小麦干物质量、氮素累积吸收量、氮肥吸收效率和氮肥表观利用率最高,柠檬酸老化棉秆炭与低量氮肥配施小麦氮肥吸收量较高,氮肥吸收效率和氮肥表观利用率分别为68.27%和46.69%。综上可知,柠檬酸老化棉秆炭的添加有利于土壤氮素的固持,可以增加土壤氮素和有机质含量,减弱对土壤pH和电导率的提升效果,在低量施氮时作物氮素吸收利用效果较好。以上结果为棉秆炭的长期应用提供理论依据。

K_(2)CO_(3)催化热解棉秆及其含钾半焦产物对焦油的催化降解

生物质热解过程中产生的焦油对设备和环境造成严重危害,探究K_(2)CO_(3)催化棉秆热解生成焦油的影响机制以及含钾半焦对焦油的催化降解作用,对实现生物质能源高效利用具有重要意义。本工作在600℃条件下,采用卧式固定床催化热解实验装置研究棉秆的催化热解特性。结果表明:添加K_(2)CO_(3)能抑制焦油产生,K_(2)CO_(3)添加量为7.5%(质量分数)时,焦油产率由未添加K_(2)CO_(3)时的43%降至33%,且焦油中芳香烃含量增大。基于密度泛函理论的半纤维素模型化合物4-O-甲基葡萄糖醛酸的分子热解计算结果表明,钾活化了4-O-甲基葡萄糖醛酸侧链基团,使—OH更易于脱除。进一步以甲苯作为焦油的模型化合物,开展棉秆半焦异相降解甲苯实验研究,发现添加K_(2)CO_(3)使热解半焦的比表面积增大、半焦表面吸附位点增多,增强了甲苯的降解缩合反应。可见,添加K_(2)CO_(3)能在热解初始阶段减少焦油产生,同时回收含钾半焦作为催化剂能够强化焦油降解,为提高棉秆资源利用率提供了新思路。

棉秆皮微晶纤维素/改性氧化石墨烯阻燃纤维的制备及其性能

为提高棉秆皮微晶纤维素(MCC)纤维的阻燃性能,采用9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)为改性剂对氧化石墨烯(GO)进行改性,将改性后的GO(DOPO-GO)与MCC共混,通过湿法纺丝制得MCC/DOPO-GO阻燃纤维,并对其阻燃性能、热学性能和力学性能进行分析。结果表明:添加DOPO-GO阻燃剂的MCC纤维的极限氧指数为27.3%,较MCC纤维提高了66.5%;与MCC纤维相比,MCC/DOPO-GO阻燃纤维热分解所需的热焓值由221.8 J/g提升至1502 J/g,热学稳定性得到提高;MCC/DOPO-GO阻燃纤维燃烧后形成的残炭致密且连续,石墨化程度提高;MCC/DOPO-GO纤维的力学性能也得到了极大改善,其断裂强度由MCC纤维的0.4 cN/dtex提高至2.2 cN/dtex。

棉秆制浆下脚料制造有机肥技术

棉秆制浆备料除尘工序的下脚料含有多种营养元素,利用简单易行的传统制浆设备及方式配以一定的工艺路线,可以将其生产为富含黄腐酸的液态肥和掺混肥,废物利用、将秸秆吃干榨尽,创造更高的经济价值和社会价值。

棉秆、核桃壳活性炭吸附SO_(2)的性能研究

以新疆棉秆、核桃壳为原料,KOH为活化剂经炭化-活化制备生物质活性炭用于吸附SO_(2),比较相同条件下制备的棉秆和核桃壳生物质活性炭对SO_(2)的吸附性能。结果表明,炭化温度400℃,炭化时间60 min,剂料比为1∶1,活化温度800℃,活化时间60 min下制备的棉秆基活性炭对SO_(2)的吸附效果最好,棉秆活性炭饱和吸附量为62.887 mg/g,核桃壳生物质活性炭的饱和吸附量为22.050 mg/g。棉秆活性炭BET分析表明比表面积为1217.2474 m~2/g,总孔容为0.6403 cm~3/g;FT-IR分析有胺基、羟基等基团;XRD分析表面有石墨晶面(002)和(100)结构;SEM分析棉秆活性炭比核桃壳活性炭孔道丰富,孔隙分布均匀。

加气渗灌模式下灌水定额与棉秆还田深度对棉花生长及产量的影响

为了探究加气渗灌模式下灌水定额和棉秆还田深度对棉花生长和产量的影响,本文以新陆中88号为研究对象,探究灌水定额和棉秆还田深度对棉花株高、茎粗、干物质量以及叶绿素相对含量的调控效应。结果表明,棉花受灌水定额影响较大,植株株高、茎粗、干物质量和叶片叶绿素相对含量均随着灌水定额的增大呈增加趋势。总体来看,在同一灌水定额条件下,25 cm土层处理的叶绿素相对含量大于15 cm和35 cm处理;棉秆还田深度为25 cm时,棉花株高、茎粗以及单株棉花籽棉产量均为最佳。