本站小編為你精心準(zhǔn)備了草本中藥材廢渣熱解特性差異參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年第四期

我國(guó)是世界上最大的植物類(lèi)藥材生產(chǎn)國(guó)．每年，我國(guó)中成藥企業(yè)產(chǎn)生的植物類(lèi)藥渣高達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸．如不及時(shí)處理，這些藥渣會(huì)腐化變質(zhì)，散發(fā)惡臭、滋生細(xì)菌．目前，國(guó)內(nèi)對(duì)中藥材廢渣以填埋處理為主，這種方式占用大量土地資源、對(duì)地下水也造成了環(huán)境污染．2013年3月公共傳媒披露的貴州某制藥股份有限公司的中藥材廢渣污染使之成為當(dāng)?shù)乩^水、大氣污染之后亟待解決的又一環(huán)境問(wèn)題．近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者逐漸開(kāi)展了諸如中藥材廢渣制備有機(jī)肥、動(dòng)物飼料添加劑、活性炭及熱解制生物燃?xì)夂蜕镉偷荣Y源化利用的研究．然而，我國(guó)中藥材種植與有效成分提取過(guò)程中存在種類(lèi)混雜、農(nóng)藥和重金屬殘留量超標(biāo)等問(wèn)題，即使是制成有機(jī)肥，藥渣中的重金屬殘留物對(duì)土壤、地下水也會(huì)產(chǎn)生一定影響．因此，為推動(dòng)中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，研究開(kāi)發(fā)中藥材廢渣資源化、減量化、無(wú)害化升級(jí)利用技術(shù)勢(shì)在必行．中藥材廢渣是一種生物質(zhì)資源，通過(guò)氣化技術(shù)將中藥材廢渣在中藥制劑廠內(nèi)就地轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w供鍋爐直接燃用，可減少中藥廠對(duì)化石燃料的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)中藥材廢渣的高效清潔利用．這對(duì)于我國(guó)中藥產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、能源利用與環(huán)境保護(hù)等具有重要意義．熱解和氣化是從生物質(zhì)廢棄物獲取能源的兩種熱化學(xué)方法．熱解不僅是獨(dú)立轉(zhuǎn)化過(guò)程，而且還是生物質(zhì)氣化過(guò)程的兩個(gè)階段之一．開(kāi)展中藥材廢渣熱解（氣化）特性研究是中藥材廢渣能源化利用的關(guān)鍵．然而，中藥材廢渣來(lái)源的多樣性致使中藥渣能源化利用的基礎(chǔ)性研究還不夠廣泛和深入．因此，開(kāi)展不同種類(lèi)的草本、木本中藥材廢渣熱解（氣化）特性研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義．本文研究了2種草（木）本中藥材廢渣熱解特性，考察熱解溫度、顆粒粒徑及原料種類(lèi)對(duì)熱解性能的影響，以期為中藥材廢渣熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用提供相應(yīng)理論依據(jù)．

1實(shí)驗(yàn)原料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取紫胡藥渣和川木通藥渣，均來(lái)源于中藥材水煎煮工藝．其中柴胡為草本中藥材，川木通為木本中藥材．通過(guò)晾曬、烘干（105℃）、粉碎、篩分得粒徑分布為dp＜0．106mm、0．106mm＜dp＜0．150mm、0．150mm＜dp＜0．250mm3組不同粒徑藥渣樣品．熱解特性研究采用熱重實(shí)驗(yàn)方法．主要實(shí)驗(yàn)儀器：熱重分析采用TGA4000熱重分析儀（美國(guó)Perkin－Elmer公司），程序升溫，升溫速率分別為10、20、30K／min，加熱終溫為800℃，以高純度氮?dú)猓?9．99％）為載氣，流量為40mL／min，試樣用量控制在10mg左右．樣品常量（痕量）元素分析來(lái)自XRF元素分析儀（ZSXPrimusII型，日本理學(xué)公司）．表1給出了柴胡與川木通藥渣工業(yè)分析及元素分析結(jié)果．表2、表3分別給出了柴胡與川木通藥渣中常量和痕量元素分析結(jié)果．

為比較藥材蒸煮前后的元素變化，表2、表3也給出了這2種藥材的常（痕）量元素分析．從表2、表3可看出：柴胡與川木通藥材含有相對(duì)較高的鉀和氯．然而，經(jīng)過(guò)蒸煮后其所含鉀、氯等元素大幅下降，鎂、鋁、鐵等元素的相對(duì)含量卻有所增加．研究表明：生物質(zhì)所含的諸如鉀、氯等元素會(huì)對(duì)生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生許多不利影響．如富含上述元素的灰分引起床料團(tuán)聚、沉積玷污受熱面降低受熱面?zhèn)鳠崮芰Γ缓琄Cl和HCl的煙氣腐蝕煙道及下游設(shè)備并可引起煙氣脫硝SCR系統(tǒng)的催化劑中毒．因此，從上述分析可知，相比于農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物，中藥材藥渣的熱化學(xué)利用方式對(duì)過(guò)熱器等下游設(shè)備的腐蝕要小很多，從而延長(zhǎng)了其熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程系統(tǒng)設(shè)備的生命周期．

2結(jié)果與討論

2．1草（木）本中藥材廢渣熱解過(guò)程分析圖1、圖2分別給出了柴胡與川木通藥廢渣熱解TG－DTG圖．從圖1和圖2可看出：2種中藥材廢渣的熱分解在220℃開(kāi)始，在320～350℃有一個(gè)快速脫揮發(fā)分的過(guò)程，在500℃以上，失重逐漸減少．在700℃時(shí)，其最大失重量在62％～78％之間．柴胡與川木通樣品揮發(fā)分最大失重峰溫在320℃附近，而柴胡藥渣與川木通藥渣揮發(fā)分最大失重峰溫在350℃附近，也就是說(shuō)通過(guò)蒸煮處理后，其熱解溫度向高溫段偏移．已有研究表明：生物質(zhì)灰分中的堿金屬與堿土金屬的氧化物在生物質(zhì)的熱解氣化過(guò)程中起到一定的催化作用．對(duì)于熱解過(guò)程來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)中的堿金屬化合物可降低生物質(zhì)熱解氣化溫度，并使纖維素與半纖維素的DTG峰相互重疊．從表2可看出，蒸煮后形成的藥渣中的鉀等堿金屬含量大幅下降，從而導(dǎo)致藥渣的熱解反應(yīng)延后．從圖1、圖2也可看出：草本藥渣與木本藥渣的熱解特性表現(xiàn)出完全不同的趨勢(shì)．對(duì)于柴胡藥渣，其揮發(fā)分失重峰值小于柴胡原樣品揮發(fā)分失重峰值．研究表明：有機(jī)物中金屬化合物的存在可降低熱分解溫度，并減少熱解過(guò)程中揮發(fā)分的釋放．這些金屬化合物通常被稱(chēng)為阻燃劑．有研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：有機(jī)物中Cr、Mn、Cu、Fe、Ni、Zn等金屬元素的氯化物存在抑制有機(jī)物熱解過(guò)程中揮發(fā)分的脫除．在550℃以上，就最后熱解殘留物而言，柴胡藥渣的熱解殘留物（即熱解焦）要小于柴胡樣品的熱解殘留物，而對(duì)于川木通而言，其原樣熱解焦產(chǎn)率大于川木通藥渣熱解的焦產(chǎn)率．這可能是由于其中Ca與Mg含量不同造成的．研究表明：CaO和MgO通常用于生物質(zhì)熱解氣化過(guò)程中的焦油的催化裂解．它們可將氣化過(guò)程產(chǎn)生的焦油裂解生成小分子的含氧化合物．從表2可看出，相對(duì)于柴胡樣品，柴胡藥渣中含有相對(duì)較高的Ca和Mg，因而對(duì)焦油的催化裂解起到了較好的促進(jìn)作用，進(jìn)而減少了熱解焦的產(chǎn)率．而對(duì)于川木通藥渣而言，其中的Ca、Mg含量小于其原樣中Ca、Mg的含量，在熱解過(guò)程中對(duì)焦油催化裂解為小分子的含氧化合物的效應(yīng)較小，從而導(dǎo)致其熱解焦產(chǎn)率較大．對(duì)比2種中藥材廢渣熱解焦產(chǎn)率發(fā)現(xiàn)：柴胡藥渣的熱解焦產(chǎn)率小于川木通藥渣的熱解焦產(chǎn)率．這在一定程度上表明了在相同工況和轉(zhuǎn)化率下，對(duì)于木本藥渣的熱解氣化過(guò)程，其顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間應(yīng)相對(duì)延長(zhǎng)．

2．2粒徑對(duì)熱解特性的影響顆粒粒徑的改變將影響生物質(zhì)升溫速率乃至揮發(fā)分的析出速率，進(jìn)而改變生物質(zhì)的熱解行為．由圖3、圖4可知：同一升溫速率下，不同顆粒粒徑的DTG曲線趨勢(shì)形狀極為相似，熱解產(chǎn)物的失重量和峰值溫度隨粒度的變化不很明顯．

2．3升溫速率對(duì)熱解特性的影響研究表明：升溫速率增加可使生物質(zhì)顆粒達(dá)到相應(yīng)熱解溫度的時(shí)間縮短，有利于熱解；然而，升溫速率增加也可使顆粒內(nèi)外的溫差變大，顆粒外層的熱解氣來(lái)不及擴(kuò)散，進(jìn)而影響顆粒內(nèi)部熱解反應(yīng)速率．因此，升溫速率對(duì)生物質(zhì)的熱解氣化影響較為復(fù)雜．由圖5和圖6可見(jiàn)，對(duì)于草（木）本藥渣，在不同升溫速率下的DTG曲線很相似．隨著升溫速率的提高，中藥材廢渣熱解溫度略有增加．許多研究者已證實(shí)了加熱速率對(duì)失重峰溫的影響，認(rèn)為增加熱解速率、生物質(zhì)的熱解峰溫、最大失重速率，揮發(fā)分的釋放越集中，越有利于熱解過(guò)程的控制。

2．4中藥材廢渣熱解反應(yīng)表觀動(dòng)力學(xué)許多研究者在生物質(zhì)的熱解動(dòng)力學(xué)研究中采用不同的反應(yīng)級(jí)數(shù)，同時(shí)，還給出了不同反應(yīng)階段的活化能．遵循工程應(yīng)用追求簡(jiǎn)單而實(shí)用的目的，本文擬采用盡可能簡(jiǎn)單的模型來(lái)描述中藥材廢渣熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)．假設(shè)反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，并選用積分法處理熱重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．圖7、圖8分別為柴胡與川木通藥渣在30K／min升溫速率下熱解機(jī)理判斷圖．從上述中藥材廢渣的熱解機(jī)理判斷圖可看出：研究的兩種中藥材廢渣熱解反應(yīng)可用一級(jí)反應(yīng)模型來(lái)描述．由于熱重曲線的形狀和熱解過(guò)程的升溫速率有關(guān)，故而活化能和指前因子之間存在補(bǔ)償效應(yīng)．對(duì)2種中藥材廢渣在不同升溫速率下得到的活化能取平均值，并通過(guò)其動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)求取指前因子，即可得到其熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表4），從而確定其熱解動(dòng)力學(xué)方程式．

3結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)草（木）本中藥材廢渣熱解特性差異的研究，得到如下結(jié)論：1）XRF分析表明柴胡與川木通樣品含有相對(duì)較高的鉀和氯．然而，經(jīng)過(guò)蒸煮后其所含鉀、氯等元素大幅下降，鎂、鋁、鐵等元素的相對(duì)含量卻有所增加．相比于農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物，中藥材藥渣的熱化學(xué)利用方式對(duì)過(guò)熱器等下游設(shè)備腐蝕要小很多，從而可延長(zhǎng)其熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程系統(tǒng)設(shè)備的生命周期．2）蒸煮后中藥材廢渣的熱解特性完全不同于其原樣的熱解特性，對(duì)于草本藥材，蒸煮后去除了其中大量的鉀和氯，因此導(dǎo)致其最大熱解失重速率小于其原樣的熱解失重速率．而對(duì)于木本藥材，其蒸煮后產(chǎn)生的藥渣，其中的鉀、氯、鈣等含量相對(duì)變化小，故而這些元素對(duì)藥渣的熱解特性沒(méi)有明顯表現(xiàn)出來(lái)．3）可用一級(jí)反應(yīng)描述草（木）本中藥材廢渣熱解動(dòng)力學(xué)行為．

作者：米鐵 陳梁 辛善志 余新明 單位：江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室