典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)化學(xué)特性的比較與分析

侯　芳

典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)化學(xué)特性的比較與分析

侯芳

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院河南濟(jì)源459000）

對農(nóng)業(yè)生物質(zhì)化學(xué)特征進(jìn)行比較分析，有利于幫助推斷農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的能源利用途徑，提升對農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的利用效率。文章選擇秸稈這一具有代表性的典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)進(jìn)行比較，分析不同地區(qū)的水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈在化學(xué)性質(zhì)上的差異，從而為相關(guān)地區(qū)農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的改善提供理論借鑒。

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)；化學(xué)特性；比較；分析

生物質(zhì)在人類能源體系中占據(jù)著重要的位置，相關(guān)資料顯示生物質(zhì)能源是僅次于石油、煤、天然氣的第四大能源類型。生物質(zhì)能源為人類的發(fā)展提供了將近10 %的能源，對于發(fā)展中國家來說，生物質(zhì)是比較理想的能源類型。這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)能源在農(nóng)村地區(qū)獲取極為便利，而且生物質(zhì)燃料形成和燃燒全過程基本實(shí)現(xiàn)氣體排放平衡。此外，生物質(zhì)能源在燃燒速度方面也不遜色于煤，所以生物質(zhì)燃料作為能源擁有可再生、友好等特點(diǎn)。因此，針對典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)化學(xué)特性的比較和分析是現(xiàn)實(shí)意義強(qiáng)烈的研究活動，可以對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活環(huán)境改善發(fā)揮切實(shí)有效的作用。

1 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)分析

我國分布有廣泛的生物質(zhì)原料資源，其中大部分來源于農(nóng)林產(chǎn)業(yè)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物是最常見的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源類型，其中最主要的部分就是農(nóng)作物秸稈，這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物多用于取暖燃料和炊事燃料當(dāng)中。不過結(jié)合秸稈能源開發(fā)有關(guān)的調(diào)查報(bào)告可以認(rèn)識到，我國農(nóng)村對秸稈的利用效率并不理想。多數(shù)農(nóng)村習(xí)慣用傳統(tǒng)的方式將秸稈放在柴灶上燃燒，而這種燃燒方式僅能讓能源轉(zhuǎn)化率達(dá)到20 %左右。另外，除了部分農(nóng)村能夠?qū)⒔斩捈庸こ娠暳虾凸I(yè)原料外，還有很多村莊將秸稈遺棄在田間地頭，或者是直接就地焚燒。這樣做一方面會對生物能源的使用造成浪費(fèi)，另一方面還會對環(huán)境造成污染。在這種資源利用環(huán)境下，系統(tǒng)識別和量化生物質(zhì)化學(xué)組成就顯得尤為重要，無論是秸稈原料熱解還是發(fā)酵，都需要建立在充分把握化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，否則就會因?yàn)殚_發(fā)方式無序而導(dǎo)致效率低下。

2 材料制備與方法選擇

2.1 實(shí)驗(yàn)材料采集

為了保證農(nóng)業(yè)生物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)研究的科學(xué)性，擬采用多種作物秸稈為材料樣品。具體采樣方式為在不同區(qū)域采集特定品種的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，即在農(nóng)作物成熟以后再對各種秸稈進(jìn)行采集，否則就會導(dǎo)致研究對象和應(yīng)用生物質(zhì)差異的狀況產(chǎn)生。樣品的采集數(shù)量要以研究內(nèi)容為轉(zhuǎn)移，一般3~5 kg即可滿足需要。完成前期采集工作后，需按照要求對已標(biāo)記的樣品進(jìn)行捆扎，然后再完善采集信息，如種植方式、收獲季節(jié)和采集時(shí)間等，以免采集過程中出現(xiàn)的問題對樣本代表性產(chǎn)生消極影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料制備

比較和分析農(nóng)村生物質(zhì)要采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和合理的方式，而非用傳統(tǒng)農(nóng)村的利用方式分析其化學(xué)性質(zhì)。在完成實(shí)驗(yàn)材料采集的一系列工作以后，就要對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行加工制備。首先，實(shí)驗(yàn)人員要把秸稈分類風(fēng)干，然后再用枝椏粉碎機(jī)進(jìn)行粗加工，然后再把秸稈粗粉放入烘干機(jī)中處理。秸稈粗粉烘干后尚不能達(dá)到理想使用狀態(tài)，還需要通過中藥粉碎機(jī)打出細(xì)粉，再經(jīng)過40目篩分。樣品制備后不能受潮，所以要放在干燥器中保存，這樣才能為實(shí)驗(yàn)測試提供符合要求的樣品。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)際上，通過比較和分析農(nóng)村生物質(zhì)提高生物質(zhì)燃料的利用率就是確定秸稈中的纖維素、木質(zhì)素、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維及粗蛋白的含量，然后再針對性地選擇利用方案。各項(xiàng)化學(xué)測試項(xiàng)目如下所示。

2.3.1 纖維素、半纖維素

從組成上來看，纖維素和半纖維素存在一定差異，即纖維素是葡萄糖組成的大分子多糖，半纖維素則是由多種單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體。為了正確測量出纖維素和半纖維素的含量，在實(shí)驗(yàn)中需要采用液相色譜法測試糖含量。

2.3.2 木質(zhì)素

木質(zhì)素含量的測試需要考慮酸性可溶性木質(zhì)素和不可溶性木質(zhì)素的性質(zhì)差異。所以在測量中常用的方法便是分別采用紫外光分光光度法和灼燒法，用灼燒法測量不可溶木質(zhì)素的溫度一般為575 ℃。

2.3.3 中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維

雖然這兩種纖維在性質(zhì)方面各不相同，但是現(xiàn)為測定儀可以對二者的含量進(jìn)行準(zhǔn)確測定。

2.3.4 粗蛋白

粗蛋白的測定用的是凱氏定氮儀。

2.4 實(shí)驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中用到的儀器可以分為2種類型，（1）樣品制備時(shí)用到的枝椏粉碎機(jī)、中藥粉碎機(jī)、重量測量儀器和烘箱等；（2）測定化學(xué)性質(zhì)時(shí)涌動用到的纖維測定儀和凱氏定氮儀。在合理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀器的情況下，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)可以得到良好的反映。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維類物質(zhì)含量變化

從上文中的材料檢測部分中可以總結(jié)出，秸稈中主要有3種纖維類物質(zhì)，分別是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的主要研究對象水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈的纖維素物質(zhì)含量分布可知。水稻秸稈的纖維素含量在4種秸稈中含量最高，將近可以達(dá)到40 %，這與水稻秸稈的纖維素含量23 %~53 %基本吻合；水稻的半纖維素和木質(zhì)素也符合10 %~26 %、14 %~33 %的要求范圍。由此可見，按照標(biāo)準(zhǔn)制備方法得出的樣本纖維物質(zhì)含量與相關(guān)文獻(xiàn)的記錄范圍基本一致。纖維物質(zhì)含量圖如圖1所示。

圖1 纖維物質(zhì)含量圖

在獲得各類秸稈纖維類物質(zhì)含量的同時(shí)，還需要了解的便是不同纖維類型在利用中的作用和注意點(diǎn)。例如，秸稈中木質(zhì)纖維含量十分可觀，但是這種纖維物質(zhì)的含量會影響秸稈的降解速度，即厭氧菌對高木質(zhì)纖維素含量的作物降解效率較低，所以應(yīng)用在沼氣等生物質(zhì)能源開發(fā)上并不貼合；反之，若是農(nóng)作物廢棄物中的木質(zhì)纖維素比較低，而且容易被消化，那么應(yīng)用在制取沼氣中的效果就比較理想。當(dāng)然，在政府政策和技術(shù)的雙重支持下，秸稈難以制取沼氣的問題也在一定程度上得到緩解，這也使得我國農(nóng)村海量的秸稈資源能夠應(yīng)用到沼氣池建設(shè)當(dāng)中。根據(jù)秸稈資源應(yīng)用沼氣池的實(shí)例經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)出，想要提高秸稈的可生物消化性，就要在使用前做好預(yù)處理工作。當(dāng)然，沼氣只是以秸稈為代表的生物質(zhì)資源的一種利用方式，除了這種方式以外，還可以利用熱裂解液化生產(chǎn)生物油。不過生物油不適合用木質(zhì)素含量高的秸稈為材料。

木質(zhì)纖維素是秸稈生產(chǎn)乙醇的主要部分，在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的過程中，纖維素和半纖維素會在水解的作用下成為可發(fā)酵性糖，然后在發(fā)酵的作用下轉(zhuǎn)化為醇。水解過程可以通過添加酸或酶來加快水解過程。不過需要關(guān)注到的一點(diǎn)是，木質(zhì)素屬于比較難消化的農(nóng)作物廢棄物，而這也說明其在化學(xué)性質(zhì)方面不活潑，如果只是采用普通的方式制取乙醇，那么效率就會顯得異常低下。為此，在制備乙醇前要把木質(zhì)素去除，盡可能發(fā)揮纖維素和半纖維素在乙醇制備中的作用。結(jié)合4種類型秸稈的纖維素、半纖維素含量可以知道，水稻秸稈是這幾種秸稈中最適合用來制取乙醇的品種。

3.2 化學(xué)分析

利用秸稈生產(chǎn)飼料也是當(dāng)前生物質(zhì)原料開發(fā)的常見手段，而且經(jīng)過長時(shí)間的錘煉后，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出比較成熟的狀態(tài)。不過需要注意的是，以往的飼料制備都只是一股腦地將秸稈傾入其中，完全不會對秸稈充作飼料的關(guān)鍵部分進(jìn)行剔選。實(shí)際上，秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)來源無粗蛋白和兩種洗滌纖維。在文章談及的4種秸稈當(dāng)中，油菜桿的粗蛋白含量會相對高一些，在排除不同地區(qū)生長環(huán)境的影響下，可以界定油菜桿用來做飼料是比較合理的選擇。當(dāng)然，想要提高秸稈中的粗蛋白含量，提高高粗纖維的降解率，可以適當(dāng)利用酵母菌和其他微生物對秸稈發(fā)酵，這樣就能提高禽畜飼料的營養(yǎng)水平。

綜上所述，文章對水稻秸稈、棉花秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈4種農(nóng)作物秸稈展開了重點(diǎn)分析，從文中的論述中可以總結(jié)出。水稻的纖維素和半纖維素含量略高于其他3種作物秸稈，用來制取乙醇具有優(yōu)越性；將秸稈用于沼氣生產(chǎn)時(shí)，玉米秸稈容易在熱化學(xué)條件下生成CO，棉花秸稈則容易生成甲烷氣體；利用熱裂解液化生產(chǎn)生物油時(shí)，應(yīng)當(dāng)用木質(zhì)素含量低的秸稈類型，棉花秸稈這種木質(zhì)素含量高的秸稈不適合該利用方式；直接燃燒秸稈的話，熱值最高的應(yīng)當(dāng)是棉花秸稈，其次為玉米、水稻、油菜。其中最不適合的便是油菜秸稈，因?yàn)橛筒私斩捴械拟}元素含量較多，很容易導(dǎo)致鍋爐起渣。

4 小結(jié)

農(nóng)作物生物質(zhì)的利用與其化學(xué)性質(zhì)有直接關(guān)系，在該方面進(jìn)行深化研究，有利于幫助生物質(zhì)資源的開發(fā)提供理論指導(dǎo)，從而幫助人們選擇更具有針對性的開發(fā)方法。在農(nóng)業(yè)生物質(zhì)整體開發(fā)狀況改善的情況下，我國的能源環(huán)境和環(huán)境建設(shè)工作也會受到積極影響，從而推動我國農(nóng)村乃至整個(gè)社會的持續(xù)健康發(fā)展。因此，相關(guān)部門及科研單位要強(qiáng)化在這方面的研究，對典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究，給農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的利用提供更多可能性。

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S216.2

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2095-1205(2020)04-27-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.04.14