典型农业生物质化学特性的比较

0引言

生物质能源是人类最早的能源之一，尤其是在农村地区通常是非常容易获得的能源。生物质在全球能源资源中排名第4，为人类需要提供了约9%-14%的能源;尤其在发展中国家，生物质能源尤为重要，提供了近35%-40%的能源。生物质在生长过程中吸收CO2，燃烧过程中释放CO2，可达到气体排放的平衡。生物质燃料的燃烧速度大大高于煤，且生物质有可再生、环境友好等优点。利用生物能源可以扩展来满足日益增长的能源需求，减少二氧化碳的排放和全球变暖，对于城市和农村废弃物的处理非常有益处。

我国生物质原料主要来自农林产业，分布广泛，有草、灌、乔，糖及淀粉等。木质纤维素生物质主要是一些农作物秸秆，如水稻秸秆、玉米秸秆、麦秆、油菜秸秆和棉花秸秆等。系统识别和量化生物质化学成分组成，是生物质原料应用最重要的步骤。关于秸秆原料热解或发酵的研究较多。农作物秸秆作为生物质能的原料，可以用来制备生物炭和生物油。近年来，对于洗涤纤维和粗蛋白的研究，主要是针对其被微生物发酵后可以更好地被用作饲料等，而对于不同地区或不同种类秸秆的化学特性的比较的研究较少。为此，针对华东地区3个省市4种常见的生物质(水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆)的化学特性进行比较和分析，以期为生物质合适的能源化利用方式提供参考。

1.材料与方法

1.1试验材料采集

选取来自安徽省、江西省和上海市的水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆共计127个样品，不同地块或不同品种的样品记作不同的样品。根据当地种植区域分布及样品种类选择采样点，保证采样科学、具有代表性，采集不同品种的样品以保证实验数据适用于本样品的全部品种。水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆。样品采集时间选择在该作物的收获期，在每个地块根据地形科学布点，每个样品采集3 - 5 kg，使用己做好标记的绳子将样品捆扎结实;同时，完成现场记录表的填写，将样品的采集时间、地点、样品品种、种植方式、收获季节等信息记录完整。

1.2试验材料制备

将采集好的秸秆按种类分类标记，风干后使用枝娅粉粹机(福轮力特112M-4)进行粗粉，得到粗粉样品放入45 烘箱中烘干;然后用中药粉碎机(大德药机DFY-500)中进行细粉，细粉样品再经40目筛分(粒径0. 63 mm);样品制备完成后装于自封袋中，做好标签，放在干燥器中保存，用于试验测试。

1.3试验方法

以制备好的秸秆粉末样品为原料，采用四分法选取样品进行纤维素(cellulose )、半纤维素(hemi-cellulose)、木质素(lignin )、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维及粗蛋白等化学性质的测定。各指标的测定多采用国家标准、美国材料与试验协会ATSM标准和AOAC国际标准。对水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆进行化学特性测定。

1)纤维素、半纤维素:纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体。这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖等。本测试采用高效液相色谱(Waters 1515 -2414 )法通过测量糖的含量来测定纤维素和半纤维素的含量。

2)木质素:采用紫外分光光度法测得酸性可溶性木质素，用灼烧法(575 )测差重得到不可溶性木质素、木质素的总含量及两部分的总和。

3)中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维:用纤维测定仪测定。

4)粗蛋白:用凯氏定氮仪测定。

1.4试验仪器

枝娅粉碎机、中药粉碎机、天平、VELP纤维测定仪FIWE 6、烘箱、马弗炉、Waters 1515-2414高效液相色谱仪、UV-1800型紫外分光光度计、凯氏定氮仪等。

1.5数据分析方法

采用Microsoft Excel 2010, IBM SPSS Statistics 20单因素方差分析等方法。

2结果与分析

2.1纤维素、半纤维素和木质素含量变化

纤维类物质包括纤维素、半纤维素和木质素。纤维类物质含量的高低可以作为生物质能原料选择的重要依据。水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆的纤维类物质含量。

由于秸秆中的木质纤维素含量较高，不能被厌氧菌有效地降解，相对于畜禽粪便等易消化的物料，秸秆制取沼气技术要困难得多，尤其是对于木质素含量最高的棉花秸秆。但我国秸秆资源量巨大，农村沼气池的推广工作开展顺利。为解决秸秆难以降解制取沼气的问题，需要解决一些关键性的技术问题。首先，需要研究各种预处理方法，通过预处理提高秸秆的可生物消化性能、消化效率和产气率;其次，根据秸秆体积大、密度小、不具有流动性等特点，可研究适合其物料特性的专用高效厌氧消化反应器，并研究出较优的反应器运行参数.相比沼气，秸秆在生物质热解或炭化时，纤维素和半纤维素主要产生挥发性物质，而木质素主要分解为焦炭。棉花秸秆的木质素含量最高，不适合热裂解液化产生生物油，其次为玉米秸秆。

有研究表明，纤维素和半纤维素发生热化学气化反应时碳的转化率高，可转化为且提高温度，有利于提高CO含量和降低CO2含量;而木质素中碳的转化率低，多转化为，此过程主要发生在800 ，且CH2的生成量受温度影响大。

木质纤维素原料生产乙醇的过程主要分为两步:纤维素和半纤维素水解为可发酵性糖，糖发酵成醇。水解过程通常用酸或酶作为催化剂;而木质素本身结构很稳定，很难被一般的溶剂溶解，因此木质纤维素生物质制取乙醇的过程中，木质素一般需要去除。纤维素/半纤维素的比值大更适合生产乙醇，因此水稻秸秆更适合生产乙醇。

2.2化学分析

秸秆作为饲料时，其营养品质主要取决于秸秆中粗蛋白、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤洗维(ADF)的含量。对水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆进行了中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗蛋白的测定。

玉米中洗涤纤维和粗蛋白含量与文献中范围一致。其中，品种不同，含量有所差异。油菜秸秆中粗蛋白含量文献值稍高，可能是由于不同地区粗蛋白含量有所差异。水稻秸秆和棉花秸秆中粗蛋白的含量与文献含量范围一致.

秸秆经过酵母菌或其他微生物发酵，粗蛋白含量大大提高，同时提高粗纤维的降解率，从而更加适于作畜禽饲料.

3结论

1)纤维素/半纤维素的比值大更适合生产乙醇，因此水稻秸秆更适合生产乙醇。

2)纤维素和半纤维素发生热化学气化反应时碳的转化率高，可转化为CO,CO2;木质素中碳的转化率低，多转化为CHQ。因此，玉米秸秆热化学转换时更易转化为CU, CO2;棉花秸秆热化学转换时更易转化为C HQ。

3)棉花秸秆中木质素含量最高，不适合热裂解液化产生生物油;其次为玉米秸秆。

4) 4种秸秆的平均热值排序为:棉花秸秆玉米秸秆水稻秸秆油菜秸秆。油菜秸秆中K, Na, Ca含量偏高，如果用于直燃发电时，既不能产生较多热量，又容易使锅炉结渣，因此不适于直燃发电。