【摘要】 与传统方法相比，热重联合傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）和热重联合气相色谱-质谱联用（TG-GC/MS）可以更清晰地分析玉米秸秆的热解过程。

玉米秸秆是一种产量巨大的农业废弃物，可通过热化学处理促进其综合利用。与传统方法相比，热重联合傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）和热重联合气相色谱-质谱联用（TG-GC/MS）可以更清晰地分析玉米秸秆的热解过程。本研究采用分布式活化能模型来分析热解动力学，以阐明热解过程。玉米秸秆的分布活化能在转化率0.1~0.9范围内从93.39 kJ mol−1变化到186.57 kJ mol−1，且相关系数较高。通过TG-FTIR 和TG-GC/MS 讨论了玉米秸秆热解挥发性产物的演变。结果表明，CO2、CH4、CO、H2O和羰基化合物在337℃以下产生，并在337℃热解温度对应的玉米秸秆最大质量损失率处达到峰值。羰基化合物主要由C4-C5组成，来自纤维素和半纤维素的热解。在高热解温度下，由于纤维素和半纤维素的断裂和异构化，呋喃、酚、酮和醛等有机物增加。同时，由于木质素结构中含氧官能团的去除和苯环的断裂，发现了苯和长链烷烃。

 

Fig. 1 TG (a) and DTG (b) curves of corn straw pyrolysis at different heating rates【1】

 

Fig. 2 3D FTIR spectrum for pyrolysis products evolving from the corn straw at heating rate of 20 K min−1【1】

 

玉米秸秆热解的TG和DTG曲线如图1所示，加热速率为（10、20、40和60 K min−1）在氦气下温度范围为 50 至 900 °C。所有升温速率的TG和DTG曲线均呈现相似的趋势。然而，随着加热速率的增加，TG 和 DTG 曲线向更高的温度移动。当加热速率从10增加到60 K min−1时，最大质量损失率温度从323℃增加到370℃。同时，随着加热速率从10 K min−1 增加到60 K min−1 ，最大质量损失率从9.47% min−1 增加到44.99% min−1 。

 

结果表明，反应速率与升温速率密切相关。这种现象称为热滞后，在许多生物质热解研究中都有报道。当加热速率从 60 降至 10 K min−1 时，残留质量范围为 26.02% 至 27.28%，这与表 1 中样品的挥发性一致。结果表明，残留质量并未受到加热速率的显着影响。加热速率。残余渣质量在加热速率为10 K min−1时最高，在60 K min−1时最低。残余残渣的质量差异主要是由于缓慢的加热速率有利于固体产物的产生。进行了 TG-FTIR 来分析分解过程中在 20 K min−1 的加热速率下释放的挥发性气体。玉米秸秆热解挥发性气体的3D FTIR光谱数据，包括吸​​光度、波数和时间如图2所示。玉米秸秆热解挥发物的主要吸收峰在700~1700 s（ 270 °C 至 603 °C），这与图 1 中 TG/DTG 曲线的质量损失规则一致。

 

然而，根据最大光谱之间的时间差，发现从 TG 到 FTIR 大约有 0.67 分钟的延迟强度和最大质量损失率。为了获得玉米秸秆热解过程的充分信息，我们选择了272℃、337℃、427℃、572℃和700℃临界温度点对应的FTIR光谱来分析挥发分的演变。在272℃、427℃、572℃和700℃时，挥发物的质量损失率分别为10%、90%、95%和99%，最大质量损失出现在337℃。通过 TG-FTIR 和 TG-GC/MS 在 20 K min−1 的加热速率下研究了玉米秸秆的热解。通过 TG-FTIR 和 TG-GC/MS 进行的挥发性气体分析表明存在 CO2、CH4、CO、H2O 和羰基化合物。同时，在玉米秸秆最大质量损失率（相当于热解温度337℃）下，产生了许多短链化合物（C4-C5）。随着热解温度的升高，苯和长链烷烃的生成量增多，呋喃、酚、酮、醛等有机物种类增多。一般来说，TG-FTIR 和 TG-GC/MS 方法的结合可以提供有关玉米秸秆或其他生物质热解机理的丰富信息。

 

【1】Fan, F., Yang, Z. & Xing, X. Study on the pyrolysis properties of corn straw by TG–FTIR and TG–GC/MS. J Therm Anal Calorim 143, 3783–3791 (2021). https://doi.org/10.1007/s10973-020-09778-6

 

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