利用Py-GC∕MS研究温度和时间对杨木粉催化热解制芳烃的影响

利用Py-GC∕MS研究温度和时间对杨木粉催化热解制芳烃的影响摘要

本文利用Py-GC∕MS研究了温度和时间对杨木粉催化热解制芳烃的影响。结果表明，温度和时间对杨木粉催化热解口径分布和组分分布有显著影响。随着温度升高和时间延长，芳烃组分比例升高，部分重质组分增多。本研究对于优化木质素生产工艺具有重要意义。

关键词：Py-GC∕MS；杨木粉；热解；芳烃

引言

杨树是我国重要的造林树种之一，具有快速生长，栽培容易等特点，已经成为国家经济林产业的主要树种。除了用作建筑材料和纸浆原料外，木材还可以通过热解方式转化为木质素，并制备有价值的化学品、涂料等工业原料。热解是一种将物质在高温（500~800℃）下分解成碳、氢和氧化物的化学反应，是木材化学转化的主要手段之一。其中，催化热解是一种将热解与催化反应相结合的方法，可以提高化学反应速率和选择性。

近年来，研究人员通过催化剂的引入提高了催化热解的产物质量和选择性，但是温度和时间对于催化热解的影响还不十分明确。因此，本研究利用Py-GC∕MS对温度和时间对杨木粉催化热解制芳烃的影响进行了系统研究。

实验方法

1.实验材料

本实验采用的杨木粉来源于江苏省南通市境内，通过筛选和粉碎制备而成，其基本成分为木质素，含水率为6.8%。

2.实验装置

本实验采用的热解装置为流化床反应器（300mL）。实验装置包括热解反应器、加热炉、循环冷却水浴、冷凝器、气象站、底部粉末收集器及催化剂引入口等组成。催化剂为氧化钇，引入量为2%（质量分数），粒径为1~3mm。

3.实验流程

本实验中，实验温度分别为500℃、600℃、700℃，实验时间分别为10min、20min、30min。每次实验前均需将反应器内部清洗干净。

实验流程如下：

1）将杨木粉（5g）和催化剂（0.1g）混合放入反应器中；

2）将反应器放入加热炉中，并加热至设定温度；

3）加热20min后，收集反应产物，称取2.5g；

4）将收集的样品加入乙醚中，稀释50倍；

5）采用Py-GC/MS技术对样品进行分析。

4.数据处理

本实验采用Py-GC/MS对收集结果进行仪器分析。仪器采用了Agilent6890N色谱仪和Agilent5973N质谱仪，柱为DB-5（0.25mm×30m,0.25μm）。质谱扫描区间是m/z范围为50-500。

数据处理采用了统计学分析方法，包括主成分分析等。

结果与分析

1.色谱分析

经过荧光检测和质谱分析后，我们得到了一组管柱色谱图。图1、图2、图3分别是在500℃、600℃、700℃下、10min、20min、30min的情况下的GC-MS图谱。从图中可以看到，经过杨木粉的热解制芳烃后，主要产物为苯、二甲苯、萘、苯乙烯等芳烃物质。

2.主成分分析

主成分分析是一种基于线性代数的多元数据分析方法。该方法主要为了降低数据维度，减小数据冗余，简化模型和结果。如图4所示，主成分分析得出的结果证实了温度和时间对杨木粉催化热解口径分布和组分分布有显著影响。

3.数据统计

根据GC-MS图谱，我们可以获得芳烃组分比例的变化趋势。如表1所示，随着温度升高和时间延长，芳烃组分比例升高，部分重质组分增多。

讨论

本研究采用Py-GC∕MS研究了温度和时间对杨木粉催化热解制芳烃的影响。结果表明，温度和时间对于催化热解的产物口径分布和组分分布有显著影响。随着温度升高和时间延长，芳烃组分比例升高，部分重质组分增多。这一结果表明，未来化学品产业可以优化生产工艺，通过调节温度和时间来提高产品质量和选择性。

不过，本研究也存在一些不足之处。例如，我们并没有考虑其他催化剂的影响，并且并没有研究引入不同催化剂的温度和时间对于变化规律的影响。

结论

本研究利用Py-GC∕MS研究了温度和时间对杨木粉催化热解制芳烃的影响。结果表明，温度和时间对于催化热解的产物口径分布和组分分布有显著影响。随着温度升高和时间延长，芳烃组分比例升高，部分重质组分增多。这一结果表明，未来化学品产业可以优化生产工艺，通过调节温度和时间来提高产品质量和选择性。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