农作物秸秆的热值及纤维素含量分析

李雅丽，刘　娟，高锦红

(渭南师范学院化学与环境学院，陕西 渭南 714099)



农作物秸秆的热值及纤维素含量分析

李雅丽，刘娟，高锦红

(渭南师范学院化学与环境学院，陕西 渭南 714099)

对常见农作物秸秆小麦、玉米、棉花秸秆进行碱处理及热重分析与热值测定，并通过硝酸乙醇法测定其纤维素含量。结果表明，棉花秸秆粉的热值最高，小麦秸秆粉次之，玉米秸秆粉最低；小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆中纤维素含量分别为37.91%、47.38%、43.66%；用10%NaOH溶液处理后其纤维素含量都有不同程度增高，其增长率为小麦秸秆>玉米秸秆>棉花秸秆，为农作物秸秆的预处理和综合利用提供了一定的参考。

农作物秸秆;热值;硝酸乙醇法;纤维素含量;碱处理

当前，我国每年有超过70%的农作物秸秆作为燃料或在田间被直接焚烧，破坏生态平衡，导致环境污染。近年来，农作物秸秆的开发利用引起了广泛关注，将秸秆中丰富的天然植物纤维素作为制备高吸水性树脂的原料[1]，具有生物可降解性、耐盐性好、耐霉性突出等优点，为天然纤维素的高值化利用提供了一条新途径。

碱处理法是一种常用的较为有效的植物纤维素原料化学预处理方法[2]。植物纤维素的碱水解处理，是利用碱溶液可以溶解木质素、半纤维素的特点，破坏纤维素、木质素与半纤维素之间的紧密结构，降低植物纤维素原料的聚合度与结晶度，同时可以使植物纤维素原料发生溶胀作用，提高水解效率。

作者对几种常见农作物秸秆如小麦、玉米、棉花秸秆进行热重分析及热值测定，并通过硝酸乙醇法测定其纤维素含量，对比分析了碱处理前后秸秆中纤维素含量的变化，对今后制备纤维素类高吸水性树脂原料的选择与秸秆的综合利用提供一定的参考。

1　实验

1.1材料、试剂与仪器

小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆，陕西省渭南市。

Al2O3、HNO3、NaOH、无水乙醇，均为分析纯。

ZRY-2P型高温综合热分析仪，上海精密科学仪器有限公司；MJ-02型多功能粉碎机，上海浦恒信息科技有限公司；标准检验筛(40目、60目)，上虞道墟张兴纱筛厂；HH-2型数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司；TDL80-2B型离心机，上海安亭科学仪器厂；WLS立式充氧器，南京大学应用物理研究所；SHR-15B型燃烧热实验装置，南京桑力电子设备厂。

1.2方法

1.2.1秸秆的预处理

将玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆洗涤、晾晒，剪成1 cm左右小段，在95 ℃下烘干10 h。粉碎，筛选出40～60目的试样，置于干燥处。

1.2.2秸秆的碱处理

将秸秆粉在95 ℃烘干2 h,冷却至室温，待质量恒定后，准确称取30 g样品置于三口圆底烧瓶中，按固液比1∶12(g∶mL)加入360 mL质量分数为10%的NaOH溶液，在95 ℃水浴中搅拌碱煮2 h,离心分离，用热蒸馏水洗至中性，95 ℃烘干，得到碱处理后的样品。

1.2.3秸秆粉热重分析

取碱处理后烘干至恒重的小麦秸秆粉8.80 mg、棉花秸秆粉9.55 mg、玉米秸秆粉6.40 mg，采用高温综合热分析仪分别进行热重分析，设置升温范围为50～700 ℃，升温速率为10 ℃·min-1。

1.2.4秸秆粉热值的测定

精确称取苯甲酸标准试样压片，在燃烧热实验装置中进行标定，计算热量计的水当量。再取碱处理过的秸秆粉烘干至恒重，装于胶囊中，采用燃烧热实验装置分别对空胶囊、小麦秸秆粉、玉米秸秆粉、棉花秸秆粉进行燃烧热测定分析。秸秆粉的热值按式(1)计算[3]：

-(m胶囊Q胶囊+m秸秆Q秸秆)-l·Ql=(m水C水+C计)ΔT(1)

式中：m胶囊、m秸秆为胶囊、秸秆粉的质量，g；Q胶囊、Q秸秆为胶囊、秸秆粉的恒容燃烧热，J·g-1；l和Ql是引燃丝的长度(m)和单位长度燃烧热(J·m-1)；m水和C水为测定介质水的质量(g)和比热容(J·g-1·K-1)；C计为热量计的水当量(J·K-1)，ΔT为样品燃烧前后水温的变化值，K。

1.2.5秸秆粉纤维素含量的测定

在植物细胞壁中，纤维素分子形成纤维丝，嵌在半纤维素和木质素之间，形成网状结构，使纤维素水解比较困难。当用浓硝酸和乙醇处理样品后，其中大量的半纤维素被水解、氧化而溶出；其中的木质素被硝化并部分氧化，生成硝化木素和氧化木素，溶于乙醇。由于纤维素本身不易水解，乙醇介质又可以减小硝酸对纤维素的水解和氧化，从而尽可能在纤维素不被破坏的条件下除去植物秸秆中的木质素与半纤维素成分[4]。

(1)硝酸乙醇混合液的配制：在通风橱中，取200 mL无水乙醇于500 mL烧杯中，量取50 mL浓硝酸，分10次缓缓加入无水乙醇中，边加边搅拌，充分混匀，置于棕色试剂瓶中备用。

(2)纤维素含量的测定：精确称取干燥秸秆粉样品1.0000 g(m0)，置于100 mL锥形瓶中，加入25 mL硝酸乙醇混合液，在100 ℃沸水浴回流1 h，离心分离。加入25 mL硝酸乙醇混合液，全部转移至锥形瓶中，重复上述操作3次至纤维素变白。用热蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤数次，转移至坩埚中，待无水乙醇挥发，105 ℃烘干至恒重，称质量(m1)；然后在马弗炉中于一定温度下焙烧至恒重，称质量(m2)[5]。纤维素含量按式(2)计算：

(2)

2　结果与讨论

2.13种农作物秸秆粉的热重分析(图1)

图1小麦秸秆粉(a)、棉花秸秆粉(b)、玉米秸秆粉(c)的热重曲线

Fig.1The thermogravimetric curves of wheat straw powder，cotton straw powder and corn stalk powder

由图1可知，小麦秸秆粉、棉花秸秆粉、玉米秸秆粉在焙烧后质量恒定的温度分别为490 ℃、550 ℃、530 ℃。因此，确定这3个温度为测定灰分质量时3种农作物秸秆粉的焙烧温度。

2.23种农作物秸秆粉的热值

苯甲酸标准试样和3种农作物秸秆粉的雷诺温度校正图如图2所示，3种农作物秸秆粉热值的实验值及文献值列于表1。

图2　苯甲酸、小麦秸秆粉、棉花秸秆粉、玉米秸秆粉的雷诺温度校正图

表13种农作物秸秆粉热值的实验值与文献值/(J·g-1)

Tab.1　The calorific values of experimental results and literature results of three kinds of crop straw powder/(J·g-1)

研究表明：秸秆的热值与秸秆中的纤维素、木质素含量呈正相关关系，即纤维素、木质素含量越高，热值越高[6]。实验测得棉花秸秆粉的热值最高，小麦秸秆粉次之，玉米秸秆粉最低，这3种农作物秸秆粉热值高低与文献一致。由于秸秆的热值与纤维素、木质素含量呈正相关关系，通过测定3种农作物秸秆粉的热值可以为测定不同秸秆中纤维素含量提供一定依据。

2.33种农作物秸秆粉的纤维素含量(表2)

研究发现不同植物秸秆的内部显微结构不同，不同植物在生长过程中的糖化率不同，因此不同植物秸秆的纤维素和半纤维素含量也不同[5]。由表2可见，3种农作物秸秆粉的纤维素含量存在明显差异。玉米秸秆粉的纤维素含量最高，棉花秸秆粉的纤维素含量次之，小麦秸秆粉的纤维素含量最低。

表23种农作物秸秆粉的纤维素含量/%

Tab.2The cellulose content of different crop straw powder/%

样品1#含量2#含量3#含量平均值小麦秸秆粉38.5537.7337.4637.91玉米秸秆粉47.7047.6146.8247.38棉花秸秆粉45.3543.5442.1043.66

2.4碱处理前后3种农作物秸秆粉中纤维素含量的比较(表3)

从表3可以看出，同一种农作物秸秆粉碱处理前后纤维素含量存在明显差异。这主要是因为不同种类秸秆的基因不同，纤维素的沉积方式和细胞骨架也不同，从而使纤维素的含量和结晶度不同[6]。小麦秸秆粉、玉米秸秆粉、棉花秸秆粉在碱处理后纤维素含量几乎比碱处理前分别提高了1倍、0.75倍、0.5倍。不同种类秸秆粉在相同条件下碱处理前后纤维素含量的增长率不同。小麦秸秆粉碱处理后纤维素含量增长率最高，玉米秸秆粉次之，棉花秸秆粉最低。

表3不同农作物秸秆粉碱处理前后纤维素含量/%

Tab.3The cellulose contents of different crop straw powder before and after pretreatment/%

样品小麦秸秆粉碱处理前 碱处理后玉米秸秆粉碱处理前 碱处理后棉花秸秆粉碱处理前 碱处理后1#38.5573.3547.70583.0145.3569.642#37.7374.6447.6182.3443.5468.573#37.4673.7946.8282.5342.1069.92平均值37.9173.9347.3882.6343.6669.38

3　结论

(1)通过热重分析实验，确定小麦秸秆粉的焙烧温度为490 ℃、玉米秸秆粉的焙烧温度为530 ℃、棉花秸秆粉的焙烧温度为550 ℃。

(2)采用硝酸乙醇法测得玉米秸秆粉的纤维素含量最高，棉花秸秆粉次之，小麦秸秆粉最低。

(3)实验测得棉花秸秆粉的热值最高，小麦秸秆粉次之，玉米秸秆粉最低，3种农作物秸秆粉热值高低与文献一致。

(4)3种农作物秸秆粉经碱处理后纤维素含量均大幅度增长，小麦秸秆粉中纤维素含量增长率最高，玉米秸秆粉次之，棉花秸秆粉最低。因此，对农作物秸杆原料的碱处理方法是可行的。

[1] 李仲谨，李小燕，郭焱.预处理方式对小麦秸秆制备高吸水性树脂的影响[J].精细化工,2006,23(1):16-17.

[2]王立华，王永利，赵晓胜，等.秸秆纤维素提取方法研究[J].中国农学通报,2013,29(20):130-134.

[3]复旦大学.物理化学实验[M].北京：高等教育出版社，2004:34-38.

[4]高洁，汤烈贵.纤维素科学[M].北京：科学出版社，1996:24-26.

[5]王林风，程远超.硝酸乙醇法测定纤维素含量[J].化学研究,2011,22(4):53-55.

[6]岳建芝，张杰，徐桂转，等.玉米秸秆主要成分及热值的测定与分析[J].河南农业科学,2006(9):30-32.

Analysis of Calorific Value and Cellulose Content of Crop Straw

LI Ya-li，LIU Juan，GAO Jin-hong

(CollegeofChemistryandEnvironment，WeinanNormalUniversity，Weinan714099，China)

Severalcommoncropstraws，suchaswheatstraw，cornstalkandcottonstraw，weretreatedbyalkali，andanalyzedbythermogravimetricanalyzer(TGA).Thecalorificvaluesofthesecropstrawswerealsomeasured，andtheircellulosecontentsweredeterminedbyanitricacidethanolmethod.Theresultsshowedthat，thecalorificvaluesofstrawpowderwereintheorderofcottonstrawpowder>wheatstrawpowder>cornstalkpowder;thecellulosecontentsinwheatstraw，cornstalk，andcottonstrawwere37.91%，47.38%，and43.66%，respectively.Moreover，thecellulosecontentsinthesestrawsincreasedaftertreatedby10%NaOHsolution，andtheincreasingrateswereintheorderofwheatstraw>cornstalk>cottonstraw.Thisresearchprovidesareferenceforthepretreatmentandcomprehensiveutilizationofcropstraws.

cropstraw；calorificvalue；nitricacidalcoholmethod；cellulosecontent；alkalitreatment

国家自然科学基金资助项目(21503150)，渭南师范学院自然科学基金资助项目(14YKS001)，渭南师范学院特色学科项目(14TSXK04)

2016-03-10

李雅丽(1965-)，女，陕西渭南人，教授，从事高分子复合材料的研究，E-mail:liiyaalii@126.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.09.016

TQ 353.42

A

1672-5425(2016)09-0067-04

李雅丽，刘娟，高锦红.农作物秸秆的热值及纤维素含量分析[J].化学与生物工程，2016，33(9)：67-70.