基于TG-FTIR的竹材细胞壁主要组分热解特性

作者：代琳心; 王智辉; 李振瑞; 王佳军; 刘杏娥; 文甲龙; 马建锋^*

来源：林业科学, 2023, 59(11): 85-94.

• 毛竹
• 纤维素
• 半纤维素
• 木质素
• 热重-红外联用
• 半定量

【目的】探究不同热解条件下竹纤维细胞和薄壁细胞中主要组分的热解规律，分析热解过程对固体残余量和挥发分组成的影响，为竹材热解转化为高品质气体燃料和炭材料提供理论参考和借鉴，为开发清洁高效的梯度炭化及物理活化工艺提供技术支撑。【方法】选取3年生毛竹，利用热重—红外联用分析仪(TG-FTIR)对竹粉、水选分离出的竹纤维和薄壁细胞以及化学法分离获得的细胞壁纤维素、半纤维素和木质素在10、20和30℃·min-1升温速率条件下进行热解特性与气体相对含量的半定量分析。【结果】10℃·min-1、N2气氛条件下，竹粉、竹纤维细胞和薄壁细胞的主热解阶段发生在180～400℃之间，三者固体残余量分别为19.8%、21.3%和17.5%。竹纤维素、半纤维素和木质素的主热解阶段分别发生在250～400℃、190～365℃和100～500℃之间，纤维细胞和薄壁细胞中纤维素的固体残余量分别为9.9%和6.3%，半纤维素的固体残余量分别为20.2%和18.3%，木质素的固体残余量分别为30.4%和25.8%。热重—红外光谱分析表明，热解产生的气体主要由CO2、CO和CH4等组成。纤维素热解产物中含C=O和C—O—C等官能团化合物的相对含量最高为65.8%，半纤维素中CO2的相对含量最高为42.7%，木质素气体产物中合成气(CH4、CO)含量最高为27.6%。提高升温速率，纤维素热解产物中含C=O和C—O—C等官能团化合物和木质素中合成气的相对含量减少约5%，半纤维素中CO2含量增加近10%。【结论】1)竹粉、不同类型细胞及其三组分的热解特性各异，其中薄壁细胞-纤维素的固体残余量最低，纤维细胞-木质素的固体残余量最高；2)竹粉、竹纤维和薄壁细胞及其3种主要组分的热解气体组成类型基本相同，但相对含量存在明显差异，纤维素主要热解气体产物为含C=O、C—O—C等官能团化合物，半纤维素主要热解产物为CO2和含C=O官能团化合物，木质素主要热解产物为CO2和含C—O—C官能团化合物；3)随升温速率增加，竹粉、不同类型细胞及其3种主要组分的TG/DTG曲线整体向高温一侧移动，热解气体产物的红外吸收峰强度增加，CO和含C=O官能团化合物的相对含量有所降低。

• 出版日期2023
• 单位北京林业大学; 竹藤科学与技术重点实验室; 国际竹藤中心