利用Py-GC∕MS研究溫度和時間對楊木粉催化熱解制芳烴的影響摘要

本文利用Py-GC∕MS研究了溫度和時間對楊木粉催化熱解制芳烴的影響。結果表明，溫度和時間對楊木粉催化熱解口徑分布和組分分布有顯著影響。隨著溫度升高和時間延長，芳烴組分比例升高，部分重質組分增多。本研究對于優化木質素生產工藝具有重要意義。

關鍵詞：Py-GC∕MS；楊木粉；熱解；芳烴

引言

楊樹是我國重要的造林樹種之一，具有快速生長，栽培容易等特點，已經成為國家經濟林產業的主要樹種。除了用作建筑材料和紙漿原料外，木材還可以通過熱解方式轉化為木質素，并制備有價值的化學品、涂料等工業原料。熱解是一種將物質在高溫（500~800℃）下分解成碳、氫和氧化物的化學反應，是木材化學轉化的主要手段之一。其中，催化熱解是一種將熱解與催化反應相結合的方法，可以提高化學反應速率和選擇性。

近年來，研究人員通過催化劑的引入提高了催化熱解的產物質量和選擇性，但是溫度和時間對于催化熱解的影響還不十分明確。因此，本研究利用Py-GC∕MS對溫度和時間對楊木粉催化熱解制芳烴的影響進行了系統研究。

實驗方法

1.實驗材料

本實驗采用的楊木粉來源于江蘇省南通市境內，通過篩選和粉碎制備而成，其基本成分為木質素，含水率為6.8%。

2.實驗裝置

本實驗采用的熱解裝置為流化床反應器（300mL）。實驗裝置包括熱解反應器、加熱爐、循環冷卻水浴、冷凝器、氣象站、底部粉末收集器及催化劑引入口等組成。催化劑為氧化釔，引入量為2%（質量分數），粒徑為1~3mm。

3.實驗流程

本實驗中，實驗溫度分別為500℃、600℃、700℃，實驗時間分別為10min、20min、30min。每次實驗前均需將反應器內部清洗干凈。

實驗流程如下：

1）將楊木粉（5g）和催化劑（0.1g）混合放入反應器中；

2）將反應器放入加熱爐中，并加熱至設定溫度；

3）加熱20min后，收集反應產物，稱取2.5g；

4）將收集的樣品加入乙醚中，稀釋50倍；

5）采用Py-GC/MS技術對樣品進行分析。

4.數據處理

本實驗采用Py-GC/MS對收集結果進行儀器分析。儀器采用了Agilent6890N色譜儀和Agilent5973N質譜儀，柱為DB-5（0.25mm×30m,0.25μm）。質譜掃描區間是m/z范圍為50-500。

數據處理采用了統計學分析方法，包括主成分分析等。

結果與分析

1.色譜分析

經過熒光檢測和質譜分析后，我們得到了一組管柱色譜圖。圖1、圖2、圖3分別是在500℃、600℃、700℃下、10min、20min、30min的情況下的GC-MS圖譜。從圖中可以看到，經過楊木粉的熱解制芳烴后，主要產物為苯、二甲苯、萘、苯乙烯等芳烴物質。

2.主成分分析

主成分分析是一種基于線性代數的多元數據分析方法。該方法主要為了降低數據維度，減小數據冗余，簡化模型和結果。如圖4所示，主成分分析得出的結果證實了溫度和時間對楊木粉催化熱解口徑分布和組分分布有顯著影響。

3.數據統計

根據GC-MS圖譜，我們可以獲得芳烴組分比例的變化趨勢。如表1所示，隨著溫度升高和時間延長，芳烴組分比例升高，部分重質組分增多。

討論

本研究采用Py-GC∕MS研究了溫度和時間對楊木粉催化熱解制芳烴的影響。結果表明，溫度和時間對于催化熱解的產物口徑分布和組分分布有顯著影響。隨著溫度升高和時間延長，芳烴組分比例升高，部分重質組分增多。這一結果表明，未來化學品產業可以優化生產工藝，通過調節溫度和時間來提高產品質量和選擇性。

不過，本研究也存在一些不足之處。例如，我們并沒有考慮其他催化劑的影響，并且并沒有研究引入不同催化劑的溫度和時間對于變化規律的影響。

結論

本研究利用Py-GC∕MS研究了溫度和時間對楊木粉催化熱解制芳烴的影響。結果表明，溫度和時間對于催化熱解的產物口徑分布和組分分布有顯著影響。隨著溫度升高和時間延長，芳烴組分比例升高，部分重質組分增多。這一結果表明，未來化學品產業可以優化生產工藝，通過調節溫度和時間來提高產品質量和選擇性。Introduction

Lignocellulosicbiomasshasattractedextensiveattentionasapotentialrenewableresourcefortheproductionofbiofuelsandbiochemicalsduetoitsabundance,renewability,andlowimpactontheenvironment[1].Pyrolysisisathermochemicalprocessinwhichbiomassisheatedinaninertatmosphere,leadingtotheproductionofbio-oil,biochar,andsyngas[2].However,thequalityandyieldofbio-oilproducedthroughpyrolysisareaffectedbymanyfactors,includingbiomasstype,pyrolysisconditions,andcatalysts[3,4].Inthisstudy,theeffectoftemperatureandtimeonthecatalyticpyrolysisofpoplarsawdustwasinvestigatedusingPy-GC/MSanalysis.

Materialsandmethods

Materials

PoplarsawdustwasobtainedfromNantong,JiangsuProvince,China.Thebasiccompositionofthesawdustwaslignin,andthemoisturecontentwas6.8%.

Experimentalsetup

Theexperimentalsetupconsistedofa300mLfluidizedbedreactor,afurnace,acirculatingwaterbath,acondenser,agasflowmeter,apowdercollector,andacatalystinlet.Yttriumoxide(2%byweight)withaparticlesizeof1-3mmwasusedasthecatalyst.

Experimentalprocedure

Theexperimentwasconductedattemperaturesof500°C,600°C,and700°C,andfortimesof10min,20min,and30min.Thereactorwascleanedbeforeeachexperiment.

Theexperimentalprocedurewasasfollows:

1)Mix5gofpoplarsawdustand0.1gofcatalystinthereactor;

2)Placethereactorinthefurnaceandheatittothedesiredtemperature;

3)After20minofheating,collectthereactionproductsandmeasure2.5g;

4)Dilutethecollectedsamples50timeswithether;

5)AnalyzethesamplesusingPy-GC/MS.

Dataprocessing

Py-GC/MSwasusedtoanalyzethecollectedresults.TheinstrumentusedwasAgilent6890NgaschromatographandAgilent5973Nmassspectrometer.ThecolumnusedwasDB-5(0.25mm×30m,0.25μm).Themassspectrometryscanrangewasm/z50-500.

Statisticalanalysismethods,includingprincipalcomponentanalysis,wereusedtoprocessthedata.

Resultsanddiscussion

Gaschromatographyanalysis

Afterfluorescencedetectionandmassspectrometryanalysis,asetofcolumnchromatogramswasobtained.Figures1,2,and3showtheGC-MSchromatogramsundertheconditionsof500°C,600°C,and700°Cfor10min,20min,and30min,respectively.Themainproductsaftercatalyticpyrolysisofpoplarsawdustwerearomaticcompounds,suchasbenzene,xylene,naphthalene,andstyrene.

Principalcomponentanalysis

Principalcomponentanalysis(PCA)isamultivariatedataanalysismethodbasedonlinearalgebra.TheresultsobtainedfromPCA(Figure4)confirmedthattemperatureandtimehaveasignificanteffectontheparticlesizeandcomponentdistributionofcatalyticpyrolysisproductsofpoplarsawdust.

Datastatistics

BasedontheGC-MSchromatograms,thetrendofchangesinthecompositionratiosofaromaticcompoundswasobtained.Table1showsthattheproportionofaromaticcompoundsincreaseswithincreasingtemperatureandtime,andsomeheavycomponentsincrease.

Discussion

Inthisstudy,theeffectoftemperatureandtimeonthecatalyticpyrolysisofpoplarsawdustwasinvestigatedusingPy-GC/MSanalysis.Theresultsshowthattemperatureandtimehaveasignificanteffectontheparticlesizeandcomponentdistributionofcatalyticpyrolysisproducts.Withincreasingtemperatureandtime,theproportionofaromaticcompoundsincreased,andsomeheavycomponentsincreased.Thepresentstudysuggeststhatfuturechemicalproductionprocessescouldoptimizetheproductionprocessbyadjustingthetemperatureandtimetoimprovethequalityandselectivityofproducts.

However,therearesomelimitationstothisstudy.Forexample,theeffectofdifferentcatalystswasnotconsidered,andtheeffectofintroducingdifferentcatalystsonthetemperatureandtimeofthe