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纤维素热解机理研究进展:以中间态纤维素为核心的纤维素演变

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CIESC Joumal,2018,69(1):239-248 化工学报2018年第69卷第1期1 www.hgxb.com.ca 0 e< t ‘e(}E c‘ 综述与专论l DOh 10.11949/j.issn.0438—1157.20170991 ≥j j。jjj 0{m ≥ 纤维素热解机理研究进展:以中间态纤维素为核心的纤维素演变 冷尔唯,龚勋,张扬,徐明厚 (华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074) 摘要:纤维素热解的机理研究对于生物质能的热利用至关重要,能够有效指导工业实际应用。基于著名的 Broido.Shafizadeh模型,纤维素热解被分为两步,首先转变为活性的熔融态中间体(中间态纤维素),然后通过解 聚和开环生成左旋葡聚糖、5.羟甲基糠醛、羟基乙醛等重要的化工原料。在这两步转变中,主要涉及低温段氢键 网络的断裂、中间态纤维素的生成,以及高温段的解聚和吡喃环开环反应。本文从这3个部分对前人的研究进行 了综述,着重介绍了中间态纤维素的生成和表征,综述了纤维素热解几个研究方向:结晶度和结晶形态对热解的 影响、纤维素解聚反应方式、吡喃环开环方式等,详细阐述了二次反应对纤维素热解的影响,并提出了部分解决 方案。关于纤维素热解依然存在诸多未知和争论,需要进一步的实验研究和理论计算对其进行揭示。 关键词:纤维素;热解;中间态纤维素;氢键;左旋葡聚糖 中图分类号:TK 6 文献标志码:A 文章编号:0438—1157(2018)01—0239—10 Progress of cellulose pyrolysis mechanism:cellulose evolution based on intermediate cellulose LENG Erwei,GONG Xun,ZHANG Yang,XU Minghou (State Key Laboratory ofCoal Combustion,Huazhong University ofScience and Technology,Wuhan 430074,Hubei,China) Abstract:Research of cellulose pyrolysis mechanism iS crucial for thermal utilization of biomass and provides guidance for industrial application.Based on the famous Broido—Shafizadeh model,the pyrolysis of cellulose is divided into two steps.First,cellulose turns into an active molten state named intermediate cellulose,and then subsequently generates levoglucosan,5-hydroxymethylfurfural,glycolaldehyde and other valuable chemical feedstock.In the wto steps,the collapse of hydrogen bonds network and the generation of intermediate cellulose at low temperature,the depolymerization reaction and irng cleavage rae mainly involved.Focusing on these studies, this work reviews the effects of the degree of crystallinity and diferent crystallization morphology on cellulose pyrolysis,the depolymerization path of cellulose and the cleavage reaction of pyran rings,especially the generation and characterization of intermediate cellulose.It also introduces the effects of secondary reactions during pyrolysis in detail and proposes some solutions.There are still many unknown and debates on cellulose pyrolysis mechanism,and a deeper understanding of it through experiments and simulations is impending. Key words:cellulose;pyrolysis;intermediate cellulose;hydrogen bonds;levoglucosan 引 言 化石能源在现代工业中的作用,从而缓解化石能源 相关的能源危机。通过热解生物质制得的生物油, 生物质作为唯一的碳基新能源,能够有效替代 不仅能够广泛用于各种热力设备,也能为化工行业 2017.07—26收到初稿,2017.08—21收到修改稿。 Received date:20l7.O7—26. 联系人:徐明厚。第一作者:冷尔唯(1992一),男,博士研究生。 Corresponding author:Pro ̄XU Minghou.mlaxu@bust.edu.cn 基金项目:国家自然科学基金项目(51661125011,51306062)。 Foundation item:supported by the National Natural Science Foundation ofChina(51661125011,51306062). ·240· 第69卷 提供所需的高附加值化学品…。但是常规生物油具 有酸度高、稳定性差、热值低、产物选择性差等缺 点,而其热解制备过程中又涉及众多的复杂化学反 应,所以对其热解机理的深入认识将有助于实际工 业过程中对产物的监视和调控 J。 常规木质纤维素类生物质主要由纤维素、木质 素和半纤维素组成,而纤维素作为最主要的组成部 分,占比达到。T 35% ̄50%t引,常作为生物质热解 生成(氢键网络的演变、中间态纤维素生成)和演 变(解聚反应、吡喃环断裂),通过对国内外有关纤 维素热解机理的研究进行综述,并提出建议的研究 方向,以供各位研究者作为参考。 l 氢键网络的演变 1.1结晶度对纤维素热解的影响 如上所述,纤维素表现为半晶体结构,根据氢 键网络规整程度的不同分为结晶区和非结晶区,两 者没有明确的界限,中间充斥着类晶体结构[131。纤 的模型化合物而受到众多学者的关注。生物质中纤 维素分子由葡萄糖单元通过1,4一B糖苷键连接而成, 分子链间又通过众多的氢键连接而成纤维素,根据 氢键网络的规整程度,纤维素表现为半晶体的结构 维素结晶区表现为规整的晶体结构,由分子内氢键 和分子间氢键两类氢键构建。研究表明,热解过程 中,氢键在220℃左右就开始发生明显断裂_l ,相 形式,被分为结晶区和非结晶区‘4J。有关纤维素的 热解模型众多, 其中 l979年提出的 “Broido—Shafizadeh”模型【 ](简称B—S模型)被研 比于其他氢键,分子内氢键O(3)H…0(5)最稳定I6J。 而不同位置的羟基活性也不同,其中C2上的羟基 最易于发生频哪醇等脱水反应LJ引。有别于结晶区, 非结晶区的氢键网络更加松散和杂乱。为了衡量纤 维素中结晶区的占比,人们引入了结晶度的概念, 究者广泛引用,如图l所示,活性纤维素被认为是 重要的中间态物质。在B—S模型的基础上,后来的 众多学者进行了广泛的研究,对其中涉及的主要反 应进行归纳,如图2所示。热解过程中,氢键网络 首先断裂l圳,在150℃左右时,纤维素糖苷键开始 断裂【 ,聚合度(DP)逐渐降低至恒定的200] , 当温度进一步升高到300℃左右,纤维素发生剧烈 的解聚反应生成以脱水糖为主的中问态纤维素,并 通过蒸发或气溶胶的方式向焦油转移【9】。在此过程 中,纤维素和脱水糖发生吡喃环断裂反应生成诸如 羟基乙醛(HAA)、5一羟甲基糠醛(5-HMF)等小 通过不同的检测手段进行测量,常见的有x射线衍 射分析 、固体核磁共振分 ’ 和傅里叶红外分析㈣ 等。不同生物质中,纤维素的结晶度差别很大,针 对结晶度对纤维素热解的影响,国内外众多的学者 进行了研究。研究认为氢键网络支撑了纤维素的纤 维结构,提高了其热稳定性【l 。在热解过程中,高 结晶度提高了纤维素分解的初始温度,并且抑制了 中间态纤维素的生成_2。1。而非结晶区中大量的中间 态物质为脱水反应提供了条件[ 1,从而促进了呋喃 类物质的生成¨ 221,提高了焦产率,焦产率随着结 晶度的降低而升高l2引。然而在更早的研究中, 分子物质【loJ,发生缩合和交联反应生成交联结构, 并进一步发生碳化生成焦… 。本文将依循纤维素 的热解进程,以中间态纤维素为核心,重点关注其 /协r Weinstetn等提出结晶区中更易于发生分子问的交 联反应,从而促进焦的生成。此外,在其研究中, 纤维素热解失重率达到50%时,结晶度并没有显著 cellulose—active celhdose< \char+巳ases 图1纤维素热解B—S模型 】 Fig.1 B—S model of cellulose pyrolysis[ 】 30o一6O0℃ 的变化,他们认为热解初期阶段,结晶区和非结晶 区是同时分解的。 1.2结晶形态对纤维素热解的影响 拥有不同的纤维素分子链的构象,纤维素结晶 区表现出同质多晶现象(cellulose I√I13,II、IIII、 III【I、IVI、lVl1),其晶格参数如表1 刮所示。通过 不同的处理手段,同质异晶体间能够相互转变L2圳, 如图3所示。比如通常的原生纤维素主要以cellulose I /I B晶型存在,通过丝光化或再生处理后,晶型 向cellulose II转变,主要存在于纺织类行业中,而 图2纤维素热解过程的重要反应路径 Fig.2 Main reaction paths of cellulose pyrolysis 通过乙二胺或氨水的处理,又可向cellulose IIIl转 变,这个过程是可逆的[25.26]。不同的晶体结构因为 第1期 www.hgxb.tom.cn ‘241’ 纤维素分子构象的不同,其结构的缜密度和氢键的 种类也不相同,从而表现出了不同的热特性。然而, 目前国内外相关的研究较少。cellulose I有两种存 在形态—— e11ulose I 和I 13,细菌和藻类等低等生 物的纤维素以前者为主,后者则在被囊类动物中占 绝大部分,高等植物中两者同时存在[2 J。Watanabe 等[29-31]通过一系列的研究探讨了两种晶型在热解 过程中的演变,结果表明两者热解时,分子内氢 键O3一H3…05均在220℃出现剧烈下降,而分子 间氢键却出现差异性,I 的分子问氢键在220℃左 右剧烈下降,而I6的分子间氢键却出现了一定的上 升,直到230℃才逐渐下降,其中分子间氢键的上 升现象被认为是来自于分子内氢键O2一H2…06的 转化lJ4J。Zhang等[32J通过离子液体[C4mim][0Ac]对 纤维素进行再生处理,在不降低聚合度的条件下获 得了cellulose II型纤维素,热重的分析结果表明 cellulose II热稳定性显著高于cellulose I。 Mukarakate等p_jJ进行了结晶度和结晶形态的双因 素分析,结果表明不同的结晶形态中结晶度的作用 大小不一。在cellulose I和I【型的热解过程中, 随着结晶度的升高,左旋葡聚糖显著增加,并且 令人意外的是较低结晶度的cellulose II产物分布 以羰基碎片为主而不是左旋葡聚糖。cellulose III的产 物分布随结晶度变化不大,并且相比于前两者,其热 解过程中更易于生成熔融态的中间物质。 cellulose … …。 一 图3纤维素同质多晶体间互相转化方式 Fig.3 Transformation methods between cellulose polymorphism 2 中间态纤维素 从2O世纪60年代,人们在纤维素的加热过程 中发现相变现象开始13 。引,到1979年Bradbury等【5】 将活性纤维素引入著名的B S模型中,中间态纤维 素(活性纤维素)逐渐成为纤维素热解的重要中间 阶段,得到众多研究者的关注[2]。有关中间态纤维 素的研究主要涉及以下两个问题:①中间态纤维素 存在性和反应动力学模型;②中间态纤维素的化学 组成。 2.1 中间态纤维素存在性和反应动力学模型 中间态纤维素的概念被提出后,人们开展了众 多的研究去证实它的存在。然而实际上,不同研究 学者对于中间态纤维素的定义不尽相同。Halpern 等L8J研究表明,无论热解温度如何变化,慢速热解 过程中,纤维素在没有明显失重的前提下聚合度都 先降低到200左右,而这一低聚合度状态即是最初 B—S模型中的活性纤维素[5]。而更多的学者发现在纤 维素快速热解过程中发生了明显的相变【3 粥】,他们将 这一状态称谓中间态纤维素、熔融态纤维素等。本 文中,中间态纤维素特指这一熔融中间态,有别于 活性纤维素。随着研究的深入,越来越多的证据【j 表明纤维素在热解过程中会经历一个熔融态的阶 段。Vladars Usas[39]通过快速热解证实了纤维素分解 过程中经历了一个熔融中间态。Boutin等 通过纤 维素的闪速热解后快速冷却得到淡黄色的可以溶于 水的中间态物质,这类物质在液相中会发生一定分 解,但在快速升温过程中,中间态物质分解之前, 由于温度超过其特定组分的沸点,会造成其向挥发 分的转移,气相挥发分中,中间态物质在挥发分蒸 发停留时间(vapour residence time)10 ̄20 ms内会 发生显著分解。浙江大学Liu等I4lJ的后续研究成果 也证实了此过程。2009年,Dauenhauer等 J通过高 速摄像技术捕捉到了中间态液相物质,如图4所示, ·242· 50 IllS时纤维素出现丫熔融,随符热 的进一步 进仃,熔融颗粒逐渐靠近, 92 lnS/r 实现了完 令I,f勺融合,这为中间态纤维索的 给 J 强有力 的 叫。 于众多研究充分 I丈 }i】、HJ态纤维素(熔 融态纤维素)的存在,订火 沦 耍集IfI住反应动 力学模型的构建上 J。以B S十5l, 为JiL-: ̄iiN的半伞局 动力 、 模型重点考虑 …1 J念纤维索往热解ItI的作 川,Conesa等I j_综合对比J 纤维采热解 令膈动力 模 ,J优劣,发现考虑九 纤维索的、卜全局动 力 、 模, ,其数值拟合结 『Jl】可信。在考虑不f刊 热解条件的影响后,更多 对B S模 进行了改 进。Diebold J考虑了升濉述 、 次反心、溉度、 力等择个冈素对纤维素热解J :物的影响,提出了 Diebold模 。Huber等1451 J 化热传质对热解的影 响,似设纤维素颗粒存 濉 梯J变,从而提出_,反 应一输运模 。 _—Jj半伞局动力学模型/1 Il,-j, 步伞局动力 模 则认为存热解模 中考虑tll『1日J态纤维素是多余 的,仪仪关注纤维素向刚体_I、1,=物 挥发产物卣接转 变的过程,利用 一非均l十lj动力 方 对热解过 进仃描述,通过纤维素 热i 上的热解实验,对方 科进行拟合。研究的关键 J 选取合适的动力学机 函数来汁算对应的活化能 指 ,』【土J了,而不同的 动 学函数往往意味着纤维 4-:同l,I勺热解反应机 }{I。Varhegyi等l4()_币 用 分析愉验J 5,fr } 1I解柯l 胖函数的合适性,发现‘阶反应级数函数的拟合结 j实验数据吻合得最女,。通过 阶反J、 级数机 69巷 函数汁 ,研宄 _4 I发现动力学参数随哲升濉速 率和样品 的不川而不 。Antal提出J 川的意 见,认为_尢沦是慢速升温还是快速升温,热解的活 化能均 228 kJ·otol 左右。我国学者也对 步全 局动 学模, 进行了广泛的研究。晕庆火 刘卓玎课 题组 提…最适合_J 描述纤维素热解实验的机理 雨数址l一 ,热解的活化能约为152 kJ·mol一。上海 理上人 Zhu等 ”1也发现’阶反应级数模, 能很 地描述7rcfi ̄求的热 失垣特性。黄娜等I川 lJj1发现纤 维素 湍干【1高温热解f 时分别遵循一阶和 阶动 力学规律。 川的研究学者住不同的实验条件i-.j ̄77 获得拟合结 平【J动力学参数不尽相I刊,这‘力。 … 热r 仪器 温度采集的准确度上存在 , ‘ 方面则足/1 lIjJ丌m速率和温度区间I--,纤维素的 热解的 制过 存 丝异,从而表现出/f JIJJ的热 解机理。 2.2 中间态纤维素的化学组成 虽然众多实验给出了中问态纤维素 的 据,ii 址【h 。岂 热解过程·}t属于L}】问产物,仃往 时间极 ,所以分析中问态纤维素的化 ̄7:21t成‘ 直以米足‘个难题。Vladars—Usas[391首次发j=!JI!.纤维素 热解, 牛的熔融中间念是水溶性的,Boutin等_4”J 后续研究叫 也 山J 相同的结论。此外,他们发现 熔融L}】『’I1J念物质 实验条件下是液体向 常温I"J ̄ll 是固体并…帑j 水,所以这类中间态物质既 是焦 油更/1 足融化J,的纤维素。通过对水溶态物顺进行 高效液牛I{包 的分析,他们发现其中只含订低聚合 度的脱水书l辱,其中左旋葡聚糖的含量} 低p 。 Piskorz等 用沉降炉征850 1200 ̄C研究纤维素快 速热斛特性,H样通过水洗焦的处理方式,获得J 总进样质 40%芹右的中间态纤维素,其卜 …聚 合度小』 7的脱水柑组成。wu课题组[ ,20, 利』fJ HPAEC.PAD技术耦合离子色谱(IC)进行分析, 进行丫‘系列的研究。他们首次证实中l’【jJ态纤维素 L}】除脱水糖低聚物外还存住水溶性的葡萄糖低聚 物,温度低r 2l0℃时,以低聚还原糖为 ,而 温度商J 325℃后,低聚还原糖消失。浙江大学:t- 树荣课 in'/ Dt【1411认为,中问态纤维素的主要成分足低 聚还原糖(如葡萄糖、纤维 糖、纤维三一 糖和果糖 等), 旋葡聚糖来源f这些还原糖的二次分解;除 此之外, lf『 行【 ]发现在旋葡萄糖币¨乡r ̄Ii ̄索的 热解 :物非常_十}{似,认为 旋葡萄糖就是l}J『}_lJ念纤 维素l,I勺.1 成分。这些争论主要来自Ji2. ̄ 次反应坩 实验结 n勺 扰,如 5所_/J ,纤维素热斛过 第1期 WWW.hgxb.com.cn ·243· 主要存在着3种二次反应:中间态纤维素交联缩合、 焦油同固体的多相作用、焦油气相分解。Gong等 9J 通过在金属网反应器上进行纤维素的快速热解实 3 高温段热解 纤维素在高温段的热解主要涉及两个重要过 程,即产生脱水糖的解聚反应和产生小分子的吡喃 环断裂过程。针对这两个过程,国内外学者进行了 众多的研究。 验,实现焦油的快速吹扫、焦油极速冷凝、反应后 焦的快速冷却,有效地抑制了二次反应,重点关注 了中间态纤维素的生成演变规律。结果显示低聚还 原糖(DP=l~8)和脱水糖(DP=I~11)同时出现 在中间态纤维素中,如图6所示,而仅有DP<3的 3.1解聚反应 解聚反应是纤维素向低聚合度的脱水糖转变 的重要过程,左旋葡聚糖作为最主要的一种脱水糖, 产率最高可达到60%以上¨…,有关其生成的研究众 引出J,脱水糖通过蒸发或者气溶胶的方式向焦油中转 移【9】。麦芽二聚糖作为纤维二聚糖的同分异构体, 也出现在中间态纤维素中,不同于管式炉热解实验 中的高含量【o…,此时其含量极低,可能来自于低聚 糖之间的转化,而纤维二聚糖被认为可以直接来自 于纤维素的分解 。 并且提出了纤维素产生左旋葡聚糖的不同 的解聚方式,Mayes等 5J对此做过详细的综述。从 结构上看左旋葡聚糖可以由葡萄糖通过Cl和C6脱 水生成,所以最早左旋葡聚糖被认为是来自于纤维 素水解产生的葡萄糖的二次反应【6 。然而诸多研究 显示葡萄糖热解的左旋葡聚糖的产率远低于纤维 ②multiphase 1nteraction 素【】圳,即便掺入纤维素进行共同热解,产率也没用 明显提升[71。浙江大学王树荣课题组【66J通过量子化 学模拟发现,葡萄糖直接生成左旋葡聚糖的能垒较 高,反应较困难。有机高分子的聚合和解聚往往涉 及自由基I们J,PakhomovI62j认为纤维素热解首先生成 带双自由基的脱水葡萄糖,之后通过与羟基的结合 生成左旋葡聚糖。Ponder等【6 J和Brown等【l U_则根 图5纤维素热解二次反应类型 Fig.5 Secondary reactions during cellulose pyrolysis 据左旋葡聚糖的生成规律,提出糖苷键均裂或异裂 的断裂方式。Shafizadeh等【o驯认为热解过程中自由 基主要与焦的形成有关,而左旋葡聚糖是通过纤维 素链的协同转糖基的形式产生。在此之后,不少研 究者[69-72]对这种方式进行了补充研究,提出了详细 的反应路径。转糖基过程共分为两个阶段:起始 阶段,纤维素链解聚生成两部分短链,其中一部 分带有左旋葡聚糖端,近似于链引发阶段,这一 随机的链断裂过程产生了不同聚合度的脱水糖【6 5_; 喜 鋈 S retention time/rain 后续阶段含有左旋葡聚糖端的部分以解压缩的形 式产生左旋葡聚糖,近似于链传递阶段,传递终 止后也产生了不同聚合度的脱水糖【5引。华北电力 图6纤维素在金属网反应器快速热解的水洗中间态纤维素 IC色谱图【 ] Fig.6 IC spectrum of water—soluble intermediate cellulose 大学Zhang等l乃】对图7中所列4种可能的解聚方 from cellulose pyrolysis on wire—mesh reacto ̄ 1 式进行了量子化学模拟计算,发现协同转糖基方 式的能垒最低,E =195 kJ·mol 同前人反应动力 1.1节中提到,Liu 2。]针对结晶度对纤维素热 解的影响进行了研究,高结晶度强烈抑制了中间态 纤维素的生产。除此之外,结晶度对于中间态纤维 素的组成也有影响,热解低温段,非结晶区的中间 态纤维素聚合度分布更为广泛,结晶区则较低。而 学计算得到的活化能(151 4228 kJ·mol )相近。 此外,Dauenhauer等 J通过CPMD对0【一环糊精进 行模拟研究,他们认为纤维素解聚反应通过自由基 反应的方式进行:而后来他们针对两分子纤维二糖 的CPMD模拟1751发现,糖苷键通过协同转糖基方式 断裂。 高温段时,非结晶区更易开环,使得中间态纤维素 中含有大量的含糖环非糖类物质。 ·244· 第69卷 H  l0H 0H 岫 … 。 。 r- 厂..O homolytic or heterolytic + ~ cleavage O+榨… ion 图7纤维素解聚反应的几种方式 Fig.7 Depolymerization paths of cellulose 3.2吡喃环开环 苷键更易于发生断裂造成吡喃环的开环 。由于葡 萄糖是纤维素的重复单元,很多学者认为吡喃环从 糖苷键处直接断裂生成链式葡萄糖类似的结构,继 而断裂或者重组生成小分子产物。Paine等[82-85J用同 纤维素在热解过程中H/O含量以2/1的比例下 降[ ],被认为主要发生了脱水反应,Degroot等l7¨_ 通过TG—FTIR研究了纤维素热解过程中水的生成 特性,发现其生成量远高于甲酸、乙酸等小分子化 合物,可见脱水反应是纤维素热解过程中极其重要 位素标记的方法研究了甘油和葡萄糖热解的产物生 的反应,被很多学者认为是吡喃环开环生成小分子 产物的前驱反应。脱水反应主要分为分子内脱水和 分子间脱水(交联反应),Richards[78]提出纤维素葡 萄糖单元能够通过脱水反应生成脱水纤维素,再通 过Retro.Diels.Alder反应生成羟基乙醛,这一反应 机理得到Piskorz等_53J和Evans等 的认可。此外, 不少学者认为脱水反应同呋喃类物质的生成有很大 关系[21 ,Kil1zer等[80]认为分子问脱水反应的产物 是形成5.羟甲基糠醛的前体,前体经过两次脱水反 应生成5一羟甲基糠醛。针对不同的脱水方式,Zhang 等[151进行了纤维三糖的密度泛函理论计算,结果表 明C2上羟基最易发生频哪醇重排的脱水反应,从 而造成吡喃环断裂。然而,Mamleev等L69]认为脱水 反应是发生于解聚反应之后的快速二次反应,而并 成规律,将甘油热解推进到葡萄糖,提出了C ~c 的小分子、环戊二酮及呋喃类物质的生成路径。华 北电力大学Lu等【8 1对葡萄糖生成羟基乙醛的生成 路径进行了量子化学计算,结果表明葡萄糖主要通 过逆缩醛(Retro.Aldo1)反应生成羟基乙醛。Lomax 等 6_在纤维素热解得到的焦油中检测到了在c1和 04上连有乙醛基的葡萄糖,他们认为这些物质很有 可能就是生成羟基乙醛反应的产物,他们对 Richards的Retro—Diels—Alder反应进行了修改,去 除了起始的脱水反应,认为吡喃环能够直接断裂生 成羟基乙醛。Mettler等|,4J利用Oc.环糊精的CPMD 模拟证实了Lomax的推断,此外他们认为5.羟甲基 糠醛可以通过纤维素的葡萄糖单元在C4.C5直接断 裂生成,不需要葡萄糖作为中间体。 吡喃环开环过程是纤维素热解的重要反应,涉 及除脱水糖外其他绝大部分焦油小分子组分的生成 机理,同脱水反应一样,有关其同解聚反应的关系 非直接发生在纤维素葡萄糖单元上。本文作者课题 组_5 9l对纤维素快速热解得到的初生焦进行分析发 现,抑制二次反应的条件下,焦中没有发生明显脱 水反应。 存在争议。鉴于左旋葡聚糖是纤维素热解的主要产 物,并且其二次分解能够产生同纤维素热解类似的 小分子产物[5 1,所以不少学者认为左旋葡聚糖是纤 很多学者也提出了其他的反应路径,他们认为 纤维素葡萄糖单元能够直接开环而不用通过脱水反 应的初始阶段,相比于一OH的脱除,C—C键和糖 维素热解的一次产物,而其他小分子有机物来自于 其二次分解[56-58]。然而通过在Py.GC.MS上进行热 ·246· Chemistry,1969,7(5):673-683. 化工学报 III 1 and 1V 1[J].Polymer,1997,38(2):463-468 第69卷 [9] GONG X,YU Y,GAO X,et a1.Formation of anhydro-sugars in the primary volatiles and solid residues from cellulose fast pyrolysis in a [25】WADA M,HEUX L,ISOGAI A,et aL Improved structural data of cellulose IV prepared in supercritical ammonia[J].Macromolecules, 2001,34(5):1237—1243. [261 ZUGENMAIER P Conformation and packing of various crystalline cellulose fibers[J].Progress in Polymer Science,2001,26(9): l341-1417. wire-mesh reactor[J].Energy&Fuels,2014,28(8):5204-521 1.  a1.Product 【1O】 PATWARDHAN P&SATRIO J A.BROWN R C.etdistribution from fast pyrolysis of glucose—based carbohydrates[J]. Journal ofAnalytical and Applied Pyrolysis,2009,86(2):323—330. CHAIWAT W HASEGAWA I,TANI T。 a1.Analyrsis of 【27】NISHIYAMA Y,SUGIYAMA J,CHANZY H.et a1.Crystal structure and hydrogen bonding system in cellulose Id from cross-linking behavior during pyrolysis of cellulose for elucidating reaction pathway[J].Energy&Fuels,2009,23(3):5765-5772. synchrotron X-ray and neutron fiber diffraction[J].Journal of the 【12] LIU D,YU Y,LONG Y,et a1.Effect of MgCI2 loading on the evolution of reaction intermediates during cellulose fast pyrolysis at 325℃[J]l Proceedings of the Combustion Institute,2015,35(2): 2381.2388. 【13] KoNDO T,ToGAWA E,BRoWN R M.“Nematic ordered cellulose’’: a concept of glucan chain association[J]. Biomacromolecules,2001,2f41:1324—1330. 【14] AGARWAL V,HUBER G W,JR C W,et al Simulating infrared spectra and hydrogen bonding in cellulose I 6 at elevated temperatrues.[J1.Journal of Chemical Physics,201 1,135(13): l34506—1. 【15】 ZHANGM,GENGZ,YUY.Densityfunctionaltheory(DFT)study on the dehydration of cellulose[J].Energy&Fuels,2011,25(6): 2664—2670. [16] SEGAL L,CREELY J J,MARTIN JR A E,et a1.An empiircal method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer[J].Textile Research Journal,1959, 29(10):786—794. 【17】 NEWMAN R H.Estimation of the lateral dimensions of cellulose crystallites using”C NMR signal srtengths[J].Solid State Nuclear Magnetic Resonance,1999,15(1):21—29. 【18] HULLEMAN S H,VAN HAZENDONK J M,VAN DAM J E. Determination of crystallinity in native cellulose from higher plants with diffuse reflectance Fourier transform infrared spectroscopy[J] Carbohydrate Research.1994.261(1):163一l72 [19] WANGZ,MCDONALDAG,WESTERHOFR JM,ef a1.Effectof cellulose crystallinity on the formation of a liquid intermediate nad on product distribution during pyrolysis[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2013,100:56—66. [20】 LIU D.YU Y.、VU H.Differences in water-soluble intermediates from slow pyrolysis ofamorphous and crystalline cellulose[J].Energy &Fuels,2013,27(3):1371-1380. [21】 WANG Z,PBCHA B,WESTERHoF R J M,8f日f.E岱0ct ofeellulose crystallinity on solid/liquid phase reactions responsible for the formation of carbonaceous residues during pyrolysis[J].Industrial& Engineering Chemistry Research,2014,53(8):2940-2955. [22】 王鹏,龚勋,张彪,等基于离子液体再生的纤维素热解特性[J1. 化工学报,2014,65(12):4793—4798. WANG P,GONG X,ZHANG B, a1.Pyrolysis characteristics of cellulose from ionic liquid regeneration[J].CIESC Journal,2014, 65(12):4793-4798. [23] DUCHEM1N B J.Structure,property nad processing relationships of all·cellulose composites【D].Christchurch:Universiyt of Canterbury, 2008. [24] ISHIKAWA A,OKANO T,SUGIYAMA J.Fine structure and tensile prope ̄ies of ramie fibres in the crystalline form of cellulose I,II, American Chemical Society,2003,125(47):14300-14306. [28】NISHIYAMA Y,LANGAN P,CHANZY H.Crystal structure and hydrogen—bonding system in cellulose I B from synchrotron X—ray and neutron fiber diffraction[J].Journal of the American Chemical Society,2002,124(31):9074—9082. [29]WATANABE A, MORITA S, OZAKI Y. Study on temperature—dependent changes in hydrogen bonds in cellulose I 13 by infrared spectroscopy with perturbation·correlation moving window two—dimensional correlation spectroscopy[J]. Biomacromolecules,2006,7(11):3164-3170. [30]WATANABE A,MORITA S,OZAKI Y.Temperature-dependent sturctural changes in hydrogen bonds in microcrystaUine cellulose sutdied by infrared and near-infrared spectroscopy wiht perturbation--correlation moving-·window two--dimensional correlation analysis[J].Applied Spectroscopy,2006,60(6):61 1-618. [3 1】WATANABE A,MORITA S,OZAKI Y.Temperature—dependent changes in hydrogen bonds in cellulose k studied by infrraed spectroscopy in combination with perturbation—correlation moving-window two—dimensional correlation spectroscopy: comparison with cellulose I B[J].Biomacromolecules,2007,8(9): 2969-2975. 【32]ZHANG J,FENG L,WANG D,el a1.Thermogravimetric naalysis of lingocellulosic biomass with ionic liquid pretreatment[J].Bioresource Technology,2014,153:379—382. [33]MUKARAKATE C,MITTAL A,CIESIELSKI P N,el a1.Influence of crystal allomorph and crystalliniyt on hte products and behavior of cellulose during fast pyrolysis[J].ACS Sustainable Chemistry& Engineering,2016,4(9):4662—4674. [34]NORDIN S B,NYREN J O,BACK E L.An indication of molten cellulose produced in a laser beam[J] Textile Research Journal,1974, 44(2):152-154. [35] BACK E L,HTUN M T,JACKsON M,et a1.Ulrtasonic measurements ofthermal softening ofpaper prdoucts and influence of thermal auto—cross—likning reactions[J].Tappi,1967,SO(1 l P 1):542. [36]DIEBOLD J P.Ablative pyrolysis of macroparticles of biomass, 1980[C].1980. [37】 PEACOCKE G,MADRALI E S,LI C,et a1.Effect of reactor configuration on the yields and sturctures of pine—wood derived pyrolysis liquids:a comparison between ablative and wire—mesh pyrolysis[J].Biomass and Bioenergy,1994,7(1-6):l 55-167. [38]LEDE J,LI H z,VILLERMAUx J, a1.Fusion-like behaviour of wood pyrolysis[J].Journal ofAnalyticaI and Applied Pyrolysis,1987, 10(4):291-308. [39】VLADARS-USAS A.Thermal decomposition of cellulose[D]. Waterloo:University ofWaterloo,1993. [40]BOUTIN O,FERRER M,LEDE J.Radiant flash pyrolysis of 第1期 www.hgxb.tom.cI1 ·247· cellulose---evidence for the formation of short life time intermediate liquid species[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,1998, 47f11:13—31. [41]LIU Q,WANG S,WANG K,et a1.Mechanism of formation and consequent evolution of active cellulose during cellulose pyrolysis[J], Acta Physico—Chimica Sinica,2008,24(1 1):1957—1963. [42】DAUENHAUER P J,COLBY J L,BALONEK C M,et aL Reactive boiling of cellulose for integrated catalysis through an intermediate liquid[J].Green Chemistry,2009,ll(10):1555-1561 [43]CONESA J A,CABALLERO J,MARCILLA A,et a1.Analysis of different kinetic models in the dynamic pyrolysis of cellulose[J]. Thermochimica Acta,1995,254:175—192. [44]DIEBOLD J P.A uniifed,global model for the pyrolysis of cellulose[J].Biomass nad Bioenergy,1994,7(1):75-85. [45】LIN Y,CHO J,DAVIS J M,et a1.Reaction—transport model for the pyrolysis of shrinking cellulose particles[J].Chemical Engineering Scinece,2012,74:160—171. [46]VARHEGYI G,ANTAL JR M J,SZEKELY T,et a1.Simultaneous spcc me c studies of the thermal decomposition ofbiopolymers(2):Sugarcane bagasse in the presence and absence ofcatalysts[J].Energy&Fuels,1988,2(3):273—277. [47】 MIL0SAVLJEⅥC I, SUuBERG E M. Cellulose thermal decomposition kinetics:global mass loss kinetics[J].Industrial& Engineering Chemistry Research,1995,34(4):1081—1091. [48]VOLKER S,R/ECKMANN T.Thermokinetic investigation of cellulose pyrolysis-impact of initial and final mass on kinetic results[J].Journal of nAalytical and Applied Pyrolysis,2002,62(2): 165.177. [49]王文钊.纤维素热重分析及热解动力学研究[D].重庆:重庆大 学,2008. WANG W Z.Study on thermogravimetric analysis and pyro13,sis kinetics ofcellulose[D].Chongqing:Chongqing University,2008. [50】ZHU G,ZHU X,XIAO Z,et a1.Study ofcellulose pyrolysis using na in situ visualization technique and thermogravimetric analyzer[J]. Journal ofAnaltyical nad Applied Pyrolysis,2012,94:126—130. [51]黄娜,高岱巍,李建伟,等.生物质三组分热解反应及动力学的比 较[J】.北京化工大学学报(自然科学版)'2007,34(5):462-466. HUANGN,GAODW,LI JW,et a1.Comparison ofthe pyrolysis nad kinetics of three components of biomass[J].Journal of Beijing Universiyt of Chemical Technology(Natural Science Edition),2007, 34(5):462—466. [52]LEDE J,BLANCHARD F,BOUT ̄O.Radinat flash pyrolysis of cellulose pellets:products and mechanisms involved in trnasient nad steady state conditions[J].Fuel,2002,81(10):1269—1279. [53]PISKORZ J,RADLE1N D S A,SCOTT D S,el a1.Pretreatment of wood and cellulose for production of sugars by fast pyrolysis[J]. Journal ofAnalytical and Applied Pyrolysis,1989,16(2):127—142. 【54】LIU D,YU Y,WU H.Evolution of water-soluble and water—insoluble portions in the solid products from fast pyrolysis of amorphous cellulose[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2013, 52(36):12785—12793. 【55】 LIU D,YU Y,HAYASHI J, a1.Contribution of dehydration and depolymerization reactions during the fast pyrolysis of various salt—loaded celluloses at low temperatures[J].Fuel,2014,136:62—68. [56] BANYASz J L,LI S,LYONS—HART J, a1.Gas evolution nad hte mechanism ofcellulosepyrolysis[J].Fuel,2001,80(12):1757-1763. [57]BAI X,JOHNSTON P,SADULA S,et a1.Role of levoglucosan physiochemistry in cellulose pyrolysis[J].Journal of Analtyical and Applied Pyrolysis,2013,99:58-65. [58]HOSOYA T,KAWAMOTO H,SAKA S Diferent pyroltyic pathways of levoglucosan in vapor—and liquid/solid-phases[J] Journal ofAnalytical and Applied Pyrolysis,2008,83(1):64—70. [59]LENG E,WANG Y,GONG X, a1.Effect of KC1 and CaC12 loading on the formation of reaction intermediates during cellulose fast pyrolysis[J].Proceedings of the Combustion Institute,2017, 36(2):2263-2270. [6O]王阳,龚勋,冷尔唯,等.基于苯甲酰化的纤维素热解过程中典型 脱水糖的定量分析[J].化工学报,2016,67(6):2519—2524. WANG Y,GONG x,LENG E W,et a1.Quantitative analysis of typical anhydro·sugars obtained during pyrolysis of cellulose based on benzoylation[J].CIESC Journal,2016,67(6):2519—2524. [611 IRVINE J C,OLDHAM J W H.CXCⅧ.The constitution of polysaccharides(III):The relationship of L-glucosan to D—glucose nad to cellulose[J].Journal of the Chemical Society,Transactions, 1921,119:1744—1759. [62] PAKHOM0V A M. Free—radical mechanism of the thermodegradation of cellulose and formation of levoglucosan[J]. Russina Chemical Bulletin,1957,6(12):1525—1527. [63]SHEN D K,GU S.The mechanism for thermal decomposition of cellulose and its main products[J].Bioresource Technology,2009, 100(24):6496—6504. [64】 PONDER G R,R/CHARDS G N,STEVENSoN T T.Influence of linkage position and orientation in pyrolysis of polysaccharides:a study of several glucans[J].Journal of Analyacal and Applied Pyrolysis,1992,22(92):217-229. [65]MAYES H B,BROADBELT L J.Unraveling the reactions that unravel cellulose.IS].Journal ofPhysical Chemistry A,2012,1l6(26): 7098.7106. [66]WANG S,GUO X,LIANG T,et a1.Mechanism research on eellulose pyrolysis by Py—GC/MS and subsequent densiyt functional theory studies[J].Bioresource Technology,2012,104:722—728. [67】FOSSEY J,LEFORT D,SORBA J.Free radicals in organic chemistry[J].Journal of the American Chemical Society,1996,118: 4226. 【68】 SHAFlZADEH F,FUR_NEAUX R H,COCHRAN T G,et aL Production of levoglucosan and glucose from pyrolysis of cellulosic materials[J].Journal of Applied Polymer Science,1979,23(12): 3525.3539. [69】MAMLEEV V,BOURBIGOT S,LE BRAS M,et a1.Model—free method for evaluation of activation energies in modulated thermogravimetry and analysis of cellulose decomposition[J]. Chemical Engineering Science,2006,61(4):1276—1292. [70]CHOI S,KIM M,KIM Y.Influence of silica on formation of levoglucosan from carbohydrates by pyrolysis[J].Journal of Analtyical and Applied Pyrolysis,201 1,90(1):56—62. [71]SCHEIRS cAMINO G,TUMIATTI W.Ovewiew of water evolution during the thermal degradation of cellulose[J].European Polymer Journal,2001,37(5):933-942. 【72】EVANS R J,MILNE T A Molecular characterization ofthe pyrolysis ofbiomass[J].Energy&Fuels,1987,1(2):123—137. [73]ZHANG X,YANG W,DONG C.Levoglucosan formation mechanisms during cellulose pyrolysis[J].Journal of nAaltyical and ·248· 化工学报 第69卷 Applied Pyrolysis,2013,104:19-27. [74]METTLER M S,MUSHRIF S H,PAULSEN A D,et a1.Revealing pyrol3,sis chemistry for biofuels production:conversion of cellulose to furans and small oxygenates[J).Energy&Environmental Science. 2012,5(1):5414-5424. t75] AGARWAL V,DAuENHAuER P J,HUBER G W,et al Ab Initio dynamics of cellulose pyrolysis:nascent decomposition pathways at 327 and 600℃叫.Journal of the American Chemical Society,2012, 134(36):14958 14972. [76】PASTOROVA I,BOTTO R E,ARISZ P W,et a1.Cellulose char structure:a combined analytical Py-GC-MS,FTIR,and NMR study[J].Carbohydrate Research,1994,262(1):27-47. [77]DEGROOT W F,PAN W,RAHMAN M D,et a1.First chemical events in pyrolysis of wood[J].Journal of Analtyical and Applied Pyrolysis,1988,13(3):221—231 [78】RICHARDS G N.Glycoaldehyde from pyrolysis of cellulose[J). Journal ofAnaltyical and Applied Pyrolysis,1987,10(3):251-255. [79]EVANS R J,WANG D,AGBLEVOR F A,et a1.Mass spectrometric studies of the thermal decomposition of carbohydrates using ”C-labeled cellulose and glucose[J).Carbohydrate Research,1996, 281(2):219—235. [80]KILZER F J,BROIDO A.Speculations on the nature of cellulose pyrolysis[J).Pyrodynamics,1965,2:151-163 [81]LU Q,TIAN H,HU B,et a1.Pyrolysis mechanism of holocellulose.based monosaccharides:the formation of hydroxyacetaldehyde[J].Journal of nAalytical and Applied Pyrolysis, 2016.120:15-26. [82】PAINE J B,PITHAWALLA Y B,NAWORAL J D.Carbohydrate pyrolysis mechanisms from isotopic labeling(Part 2):The pyrolysis of D-glucose:general discormective analysis and the formation of C1 and C2 carbonyl compounds by eleetrocyclic fragmentation mechanisms[J).Journal of Analtyical and Applied Pyrolysis,2008, 82f1):10—41. [g3】PAINE J B,PITHAwALLA Y B,NAWORAL J D, 口f. Carbohydrate pyrolysis mechanisms from isotopic labeling fPart 1): The pyrolysis of glycerin:discovery of competing fragmentation mechanisms affording acetaldehyde and formaldehyde and the implications for carbohydrate pyrolysis[J)Journal of Analtyical and Applied Pyrolysis,2007,80(2):297—3 1 1 【84]PAINE J B,PITHAWALLA Y B,NAWORAL J D.Carbohydrate pyrolysis mechanisms from isotopic labeling(Part 3):The pyrolysis of D-glucose:formation of C3 and C4 carbonyl compounds and a cyclopentenedione isomer by electrocyclic rfagmentation mechanisms[J)Journal of Analtyical and Applied Pyrolysis,2008, 82(1):42-69. [85]PAINE J B,PITHAWALLA Y B,NAWORAL J D.Carbohydrate pyrolysis mechanisms from isotopic labeling(Part 4):The pyrolysis of D-glucose:the formation of furans[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2008,83(1):37-63. [86]ARISZ P W,LOMAX J A,BOON J J.High—performance liquid chromatography/chemical ionization mass spectrometric analysis of pyrolysates of amylose and cellulose[J).Analtyical Chemistry,1990, 62(14):1519-1522. [87]ZHOU X,MAYES H B,BROADBELT L J,et aL Fast pyrolysis of glucose—based carbohydrates with added NaCI(part 1):Experiments and development of a mechanistic model[J).AIChE Journal,2016, 62f3):766—777. [88]冷尔唯,张彪,张坚,等.原糖和脱水糖模型化合物的快速热解特 性研究 .工程热物理学报,2016,37(10):2225—2229. LENG E W,ZHANG B,ZHANG J, aL Characterizing the fast pyrolysis of oligosaccharides and anhydro—SUgarS as cellulose model compounds[J),Journal of Engineering Thermophysics,2016,37(10): 2225—2229. [89]METTLER M S,PAULSEN A D,VLACHOS D G,et aL Pyroltyic conversion of cellulose to fuels:levoglucosan deoxygenation via elimination and cyclization wihtin molten biomass.[J].Energy& Environmental Science,2012,5(7):7864-7868. [90]PATWARDHAN P R,DALLUGE D L,SHANKS B H,et al Distinguishing primary and secondary reactions of cellulose pyrolysis[J).Bioresource Technology,201 1,102(8):5265-5269 [91】WANG Y,ZHU Y,ZHOU Z,et a1.Pyrobrsis study on solid fuels: rfom conventional analtyical methods to synchrotron vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometry[J).Energy&Fuels. 2016,3O(3):1534—1543. 

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