工廠鋸屑的苯酚液化工藝研究

目前，各種合成材料的原料主要來(lái)自石膏產(chǎn)品和衍生物產(chǎn)品。隨著石油礦產(chǎn)資源的日益枯竭以及環(huán)境問(wèn)題的不斷加重,可再生的木質(zhì)資源的研發(fā)及利用越來(lái)越受到重視,液化作為生物質(zhì)利用的主要途徑之一,對(duì)能源可持續(xù)發(fā)展具有實(shí)質(zhì)性的意義。雖然木材苯酚液化物的研究現(xiàn)已具一定成果,但得到的制備工藝參數(shù)多只針對(duì)單一的樹(shù)種原料,使得其應(yīng)用具有一定的局限性。本實(shí)驗(yàn)的液化原料為工廠鋸屑,每年各類木工廠的木材加工剩余物都數(shù)以百萬(wàn)噸,這一類資源多數(shù)被廢棄或燃燒,未能實(shí)現(xiàn)木質(zhì)資源的高效利用,因此,對(duì)工廠鋸屑液化工藝的優(yōu)化研究不但可以使木質(zhì)材料變廢為寶,增加工廠鋸屑的應(yīng)用效益;還可以在一定程度上緩解目前嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。工廠鋸屑的苯酚液化是以硫酸做催化劑、苯酚做液化劑,在一定的溫度和時(shí)間條件下,將鋸屑苯酚的固液混合物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)物質(zhì)。本研究采用正交試驗(yàn)的方法對(duì):液比[n(苯酚)∶n(木粉)]、酸催化劑(30%H2SO4)用量、液化時(shí)間以及液化溫度這四個(gè)影響因素進(jìn)行了分析討論,通過(guò)測(cè)定苯酚液化物的殘?jiān)?來(lái)初步優(yōu)化工廠鋸屑的苯酚液化工藝。1材料和方法1.1目數(shù)、硫酸干燥法工廠鋸屑:取自北京林業(yè)大學(xué)木工廠。將樣品干燥并粉碎,取20～80目木粉(網(wǎng)篩孔徑為0.9～0.18mm)在110±2℃下干燥12h,放入干燥皿中備用;苯酚:分析純;硫酸:配制濃度30%,分析純;丙酮:分析純。1.2液體萃取工藝1.2.1混合棒的制備將鋸屑木粉、苯酚、硫酸按照一定的質(zhì)量比加入到帶冷凝裝置的250mL的三口燒瓶中,將油浴溫度調(diào)至設(shè)定溫度,預(yù)熱整個(gè)裝置,待苯酚融化后開(kāi)動(dòng)攪拌棒(轉(zhuǎn)速為1058r/min)并開(kāi)始計(jì)時(shí)。反應(yīng)至預(yù)定時(shí)間后,關(guān)閉攪拌器和油浴加熱裝置,迅速將反應(yīng)物冷卻至室溫。采用玻璃坩堝式過(guò)濾器,在真空泵下(真空度為0.095MPa)抽濾,用丙酮沖洗濾洗液化物,得到不容物殘?jiān)蜑V液,殘?jiān)诟稍锵鋬?nèi)干燥至恒重,稱重并計(jì)算殘?jiān)?。殘?jiān)视?jì)算公式:R(%)=(Wr/Wo)×100式中:R―殘?jiān)?%;Wr―鋸屑?xì)堅(jiān)^干重,kg;Wo―液化前鋸屑絕干重,kg1.2.2化渣率的確定采用正交實(shí)驗(yàn)方法研究各因素交變作用對(duì)液化殘?jiān)实挠绊?并對(duì)各因素單獨(dú)作用下的影響范圍及單因素對(duì)液化殘?jiān)实挠绊戁厔?shì)進(jìn)行了分析,最終優(yōu)化了鋸屑的液化工藝。2結(jié)果與分析2.1液化時(shí)間及液化溫度本實(shí)驗(yàn)確定的主要影響因素為:液比、催化劑、液化時(shí)間以及液化溫度。采用單因素分析法,分別固定3個(gè)因素的參數(shù),對(duì)第4個(gè)因素的變化引起的木屑苯酚液化情況的變化規(guī)律進(jìn)行了考察。2.1.1鋸屑苯酚液化的液比對(duì)產(chǎn)品組分的影響苯酚作為鋸屑的液化劑,對(duì)其液化性能有著重要的影響。苯酚與鋸屑的質(zhì)量比(液比)是確定苯酚用量的一個(gè)指標(biāo),是鋸屑苯酚液化的主要影響因素。由圖1可知,隨著苯酚與鋸屑的質(zhì)量比(液比)的不斷增加,鋸屑苯酚液化的殘?jiān)食氏陆第厔?shì),液比由3到5這個(gè)過(guò)程中,殘?jiān)式档兔黠@,降低了25.7%,即液化效率提高了25.7%。液比由5到6的過(guò)程中變化過(guò)程趨于平緩。因此,本實(shí)驗(yàn)將液比的工藝參數(shù)定為:液比[n(苯酚)∶n(木粉)]=5。在得到高液化效率的同時(shí),盡量減少苯酚的用量。2.1.2反應(yīng)時(shí)間和速度液化時(shí)間是影響廢紙液化反應(yīng)的一個(gè)重要因素。液化時(shí)間對(duì)廢紙液化的殘?jiān)视绊懺斠?jiàn)圖2。從圖2可以看出,在反應(yīng)開(kāi)始的1～1.5h內(nèi),廢紙液化的速度非常緩慢。反應(yīng)1h和1.5h時(shí)殘?jiān)蕩缀鯖](méi)有區(qū)別;反應(yīng)由1.5h提高到2h的過(guò)程變化極其顯著,反應(yīng)速度迅速提高,殘?jiān)室惭杆傧陆?降低了16個(gè)百分點(diǎn)左右;隨著反應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)(2h增加到2.5h),殘?jiān)蔬M(jìn)一步下降,下降了7.2%。因此液化時(shí)間反應(yīng)的長(zhǎng)短直接影響著液化效率的高低,本次實(shí)驗(yàn)將液化時(shí)間參數(shù)定為2.5h。2.1.3催化劑用量?jī)?yōu)化催化劑的用量是影響鋸屑苯酚液化的另一重要因素。根據(jù)前人的相關(guān)研究,強(qiáng)酸性催化劑可以有效的促進(jìn)鋸屑苯酚液化的速率。本實(shí)驗(yàn)采用濃度為30%的H2SO4作為催化劑,并最終將優(yōu)化的催化劑用量參數(shù)設(shè)定為8%。催化劑用量對(duì)液化殘?jiān)实挠绊懺斠?jiàn)圖3所示。從圖3可以看出,隨著催化劑用量的增加,殘?jiān)手饾u減小,液化效率逐漸提高。在未加催化劑時(shí),其液化效率十分不理想,催化劑用量在2%到8%的過(guò)程中,殘?jiān)式档土?0.8%,即鋸屑的苯酚液化效率提高了10.8%。當(dāng)催化劑用量從6%到8%的過(guò)程中,殘?jiān)实淖兓口呌谄骄?降低了2個(gè)百分點(diǎn)。2.1.4增加到400的溫度,效果好液化溫度同樣是影響液化效率的一個(gè)重要的因素。液化溫度對(duì)液化殘?jiān)实挠绊懺斠?jiàn)圖4。從圖4可以看出,隨著反應(yīng)溫度從140℃增加到170℃的過(guò)程中,廢紙液化的殘?jiān)手饾u減小;140℃到150℃過(guò)程中變化最明顯,反應(yīng)速度最快,殘?jiān)氏陆盗?.7%;150℃到170℃過(guò)程中,廢紙液化的速度較之前趨于緩慢,殘?jiān)氏陆盗?.1%,這可能是由于溫度升高使部分低分子化合物重新聚合成具有較大分子量的聚合物,使殘?jiān)氏陆稻徛?。?jīng)綜合考慮將液化溫度定為160℃。2.2實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析本實(shí)驗(yàn)采用L16(45)正交表來(lái)優(yōu)化工廠鋸屑苯酚液化的工藝參數(shù),不僅考慮了各影響交變作用下的液化效果,并且根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的作用規(guī)律,選取了適當(dāng)?shù)囊蛩厮竭M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案以及極差分析結(jié)果見(jiàn)表1。表1的極差結(jié)果分析表明:試驗(yàn)選取的4個(gè)因素對(duì)鋸屑苯酚液化的殘?jiān)视绊懘笮〉囊?guī)律依次是苯酚與鋸屑質(zhì)量比(A)>液化時(shí)間(C)>催化劑用量(B)>液化溫度(D);在試驗(yàn)范圍內(nèi),找到的較為優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)因素組合是:A3B4C4D4。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)工廠鋸屑在硫酸催化劑的作用下,能夠很好的實(shí)現(xiàn)苯酚液化。四類影響因素中,苯酚與鋸屑的質(zhì)量比(液比)對(duì)鋸屑苯酚液化效率的影響最為顯著,其次依次為液化時(shí)間、催化劑用量以及液化溫度。(2)通過(guò)采用正交試驗(yàn)的方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及單因素對(duì)液化殘?jiān)实挠绊戁厔?shì)進(jìn)行了分析,并優(yōu)化了鋸屑的液化工藝。結(jié)果表明:工廠鋸屑苯酚液化的優(yōu)化工藝參數(shù)為:液比[n(苯酚)∶n(木粉)]為5、液化時(shí)間為2.5h