低濃度酸對糖類物質的碳化現象分析論文

　　引言

　　能源是經濟運行的命脈、社會發展的基本動力，隨著全球經濟發展以及世界人口的增長，必將使能源消費持續增長。由此帶來的能源與環境危機也日漸凸顯，所以開發可再生能源成為減碳和實現社會可持續發展的必然選擇。生物質作為生物質能量的載體，是一切有生命的可以再生的有機物質的總稱，被認為是唯一一種可儲存和可運輸的可再生碳能源。生物質在燃燒過程中排放的CO2量等于其在生長過程中從大氣中吸收的CO2量，所以生物質具有CO2零排放不會造成溫室效應的特點，適合燃燒轉化利用，是一種優質的可再生能源燃料，進而引起了世界能源工作者極大的關注。從化學的角度上看，生物質主要由C, H, O, N, S等物質組成，前三個是主要組成成分。一些研究發現，生物質燃料過程能量釋放主要取決原料成分訓。其中C和H對于生物質燃燒在釋放能量方而具有積極的作用，而O則起到負面作用。

　　許多相關文獻都報道了生物質燃料存在含碳量低、氧量高的特點，從而在燃燒時存在熱值低，燃燒不穩定等的缺點。如Dcmirbas在其關于不同生物質燃料燃燒特性的文章中，詳細的介紹了與固體礦物燃料對比，生物質燃料所包含的碳含量很少并且氧含量很高，所以生物質燃料的熱值顯著的低于大部分煤。許多作者如Sahu等在他們的文章中同樣也列出了生物質燃料碳含量明顯低于煤，而氧含量是煤的2 - 4倍，熱值明顯低于煤。針對以上所描述的生物質燃料在燃燒中存在的不足，本研究的目的是希望通過實驗找到一種零耗能的方法，用以降低生物質中氧含量并提高碳含量，改善其熱值低和燃燒不穩定的缺點，從而使生物質燃燒利用率增加。

　　木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等是半纖維素的結構單元，所以這些糖類物質也是生物質的重要組成部分。賀安琪等曾在研究中發現，含大量水分的濃鹽酸在常溫常壓條件下與葡萄糖可以產生類似濃硫酸脫水的“碳化”現象根據這一現象，近期實驗發現低濃度的鹽酸、高氯酸和硫酸在常溫常壓下對其他糖類物質也有“碳化”現象，且有快慢之分，但對糖醇類等物質沒有此現象發生。從上述研究中選用與鹽酸、高氯酸和硫酸反應有明顯碳化現象的幾種糖類進行詳細研究。通過滴定的方法發現各種酸都有少量的消耗，但可以用于循環利用。對其碳化殘余物進行元素分析、XPS和紅外測試等方法進行測試表征。結果得出在常溫常壓零耗能的條件下糖類物質與酸反應后，所剩殘余物的碳含量升高并且氧含量降低。這為可能改善生物質燃料熱值低、燃燒不穩定的缺點，把生物質轉化為高能量密度能源物質提供了新的機會

　　1實驗部分

　　1.1儀器

　　使用北京先驅威鋒技術開發公司生產的ZDJ-400全自動多功能滴定儀的酸滴定法對各樣品的稀酸進行氫離子濃度的測定。PH復合電極/型號:E-201-9型(北京先驅威鋒技術開發公司). XPS; Analytical Ltd.(日本島津集團全資子公司)生產，型號:Axis Ultra;鋁(Al)靶配石英單色器及雙陽極(Mg和Al)靶;Minibcamm型離子槍;能量分辨率:0-8 CV(Ag 3d)。

　　采用Elcmcntar Analyscnsystcmc UmbH公司生產的元素分析儀對樣品碳、氫元素的含量進行測定。

　　使用Scientific公司生產的紅外光譜儀對樣品進行紅外光譜測試，光譜分辨率:4CM,掃描次數:64，掃描范圍為4000-650.

　　2結果與討

　　2.1酸碳化單糖現象

　　觀察靜置數天的加酸的糖類物質，發現不同濃度的鹽酸、硫酸和高氯酸對糖醇類物質以及鹽酸氨基葡萄糖都不能進行碳化反應，但可以對2-脫氧-D-核糖、果糖進行不同程度的碳化反應，并且同濃度的酸對不同的糖類物質碳化反應有快慢之分。其中各酸對2-脫氧-D-核糖的碳化反應速度都最為迅速，幾分鐘之內反應液的顏色就由淺黃色變為紫色最后呈黑色。其他糖類物質的反應液隨著時間的推移顏色也逐漸加深。濃度為8 mol的高氯酸對糖類物質的碳化能力明顯強于濃度為5mol，的高氯酸。

　　2. 2酸耗損量研究

　　取氫離子濃度為8 mol的鹽酸、高氯酸各2 mI，分別與1g的2-脫氧-D-核糖、果糖混合。在上述反應中，酸中氫離子摩爾數與糖中輕基摩爾數比在0. 56-0. 71之間，說明反應中糖的輕基量過量，足以使酸中的氫離子充分利用。反應一周后，用1. 70 mol氫氧化鈉溶液中和反應液至pH 10左右。并用0. 108 mol，的HCl標準液滴定NaOH溶液的剩余摩爾量。從而計算出與糖反應后酸的剩余摩爾量。并與空白組稀酸的含量進行對比。高氯酸與糖反應后消耗的酸量占原酸含量為19. 6200, 18. 9900, 22. 1500, 20. 8900;鹽酸與四種糖反應后消耗的酸量占原酸含量為19. 8700, 20. 5100,19. 2300, 5. 1300。可以看到酸的消耗量大致占原酸量的1/5,剩余酸的處理可以循環再利用。

　　2. 3元素分析

　　2-脫氧-D-核糖、果糖與8 mol的高氯酸、鹽酸反應前后碳氫含量變化。從中可以看到兩種糖在與酸反應后樣品的碳含量都有所增加，而氫的含量也都呈下降趨勢。2-脫氧-D-核糖與酸反應后碳氫摩爾比均由原來的增加到1. 1和1. 2，果糖與酸反應后值也都由原來的增加到1. 3。上述結果說明，2-脫氧-D-核糖和果糖與酸反應后可能形成芳環或稠環化合物，這是使產物顏色變黑的主要原因。

　　2-脫氧-D-核糖、果糖分別與8 mol的高氯酸、鹽酸反應前后顯微紅外對比光譜圖。從兩種糖的光譜中可以觀測到在與酸反應后，3 X00 cm附近的輕基峰明顯減小，且1 000 cm附近的伸縮振動峰也明顯降低，證明了與酸反應過程中糖類物質發生了脫輕基。而在1 600cm都出現了新的碳碳雙鍵峰，可見與酸反應后脫去輕基的同時也使糖的碳含量增加。在1 700 cm出現了新的欺基峰，用0. 1 mol的NaOH清洗與酸反應后的樣品再測試，觀察到峰位并沒有出現明顯的變化，則說明此峰并不是梭基峰。

　　3結論

　　低濃度的酸在常溫常壓零能耗的條件下可以不同程度的碳化多種糖類物質。通過各種表征結果得出，反應后殘余物質的碳含量都有明顯的增高，且氧含量也降低的現象。此方法的應用有可能彌補了生物質燃料存在的碳含量少、氧含量高，燃燒過程中不易燃燒完全和熱值低的缺點。且反應后酸中氫離子摩爾數消耗不多，可以用于循環利用，減少污染。值得提出的是，本實驗中所有的反應都是在零能耗的條件下進行的，這大大減少了能源的消耗。此研究的結果可能為改善生物質燃燒特性，產生更高能量密度能源提供了新的機會。

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