【《玉米秸秆的资源化利用发展探究国内外文献综述》7500字】

玉米秸秆的资源化利用发展研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u1072玉米秸秆的资源化利用发展研究国内外文献综述 1137511.1玉米秸秆的资源化现状 1181561.1.1玉米秸秆的性质 1196121.2玉米秸秆预处理现状 3203671.2.1物理法预处理 427821.2.2化学法预处理技术 4194301.2.3生物法预处理 6随着世界范围内化石燃料的生产和供应日益短缺，利用化石燃料引起的环境恶化原因日益膨出，寻找代替性可再生能源迫在眉睫。作为木质纤维素最丰富和最具吸引力的废物之一，玉米秸秆具有生产生物燃料的巨大潜力，可以将玉米秸秆用来做生产生物燃料。玉米秸秆的资源化现状玉米秸秆的性质玉米秸秆是一种粮食、经济、饲料作物，主要用作饲料。是工农业生产的重要生产资源，也是我国农村重要的传统燃料之一。中国每年可生产苞米秸秆7亿吨以上，年平均增长2．33％。如果按85％的利用率计算，可利用的秸秆约有6亿吨，相当于3.2亿吨指标煤[7]。玉米秸秆是有机物，它由可燃物、无机物和水组成。主要含有碳（c）、氢（H）、氧（o）、少量氮（n）、硫（s）等元素，并含有灰烬。玉米秸秆、高粱秸秆、稻秸秸秆、小麦秸秆、豆秸秸秆、棉花秸秆等都是我们生活中常见和不可或缺的秸秆，其中玉米秸秆所占的比例最大，达到了32％。不同的秸秆，具有不同的化学成分[8]。2.1.2玉米秸秆的回收利用潜能玉米秸秆的随意焚烧、不合理利用现象普遍存在，它不仅污染乡村生活环境，而且污染农业水源，危害农作物质量，影响农业等严重危害。据统计，农民对玉米秸秆的利用率，仅仅达到了近40％[9]，，而且都用于烹饪、牲畜饲料、取暖燃料等这些效率低下的利用方式。以玉米秸秆的直接利用为例，其能量转换效率低于20％。现如今，随着党中央大力大学的发展，农村经济发展迅速，交通十分便利，农民的生活也越来越富裕。在商业能源产地周边的农村地区或富的乡村地区，商业能源（如煤，液化石油气等）已成为主要的炊事能源，这使秸秆逐渐被替代，农田附近有大量累计或直接局部燃烧，垃圾的数量也在逐年增加。据统计，许多地的废弃秸秆量已占秸秆总量的60％以上，不仅对环境引起影响，而且引起了生物质资源的极大浪费。乡村地区的环保也值得关注[10]。2.1.3玉米秸秆利用现状目前，玉米秸秆综合利用主要集中在还田、果园覆盖、生产有机肥、种植食用菌、燃气发电和集中气化供气等方面。（1）秸秆粉碎还田目前，秸秆粉碎还田是我国最直接、最容易实施的方式。秸秆还田后，土壤内的微生物发挥作用，通过微生物的酵解作用把土壤中的矿物质等营养分解并释放出来，农作物可以吸收利用被释放出的这些营养，分解过程中形成的有机质和腐殖质，能给土壤中微生物和其他生物提供原料，进而使土壤结构和土壤肥力得以改善。（2）秸秆饲料加工玉米秸秆，最有效利用的方法之一便是作为牲畜的饲料秸秆，此利用方法也能带来可观经济收益。玉米秸秆经过青贮、氨化、微贮后，作为饲料饲喂畜禽，提高畜禽产量和收入。同时，也达到了秸秆还田、提升农田土壤肥沃力的目的。实践证明，将玉米秸秆作为牲畜饲料后，牲畜所产生的粪便能作为一种良好的农田原料。这种农牧结合的方式，不仅可以在很大程度上节省了饲料的消耗，还提高了玉米秸秆的适用性，使畜禽的产量得以提升，带来较高的经济效益。（3）农村能源利用能源短缺一直是困扰农村居民的一大问题，利用玉米秸秆可以生产沼气，能在一定程度上缓解农村的能源短缺问题。玉米秸秆切碎后放入沼气池中，在适合的温度、湿度和厌氧环境下进行生物发酵能产生沼气。近几年来，随农村户用沼气池，大型养场和大中型沼气工程的建筑，沼气产业后体系的不断发展和加强，快速发展的沼气能源同时也促使者玉米秸秆的综合利用。（4）生产食用菌将苞米秸秆进行粉碎处理后，并在其中按照一定的比例关系加入磷肥、氨肥、石灰和水进行发酵。发酵温度为60、65摄氏度时，每2-3天转一次，确保发酵过程中的均匀性。经过15天左右的发酵，得到发酵后的熟料，它可用来生产鸡腿菇，香菇等食用菌，生物转换率可达70％，100％，此外废物可作为农家肥。（5）玉米秸秆新型饮料将玉米秸秆作为基本的原料，使用热水和超声波提取法，提取玉米秸秆中的提取物。使用L9（34）的正交试验，以玉米秸秆提取物、蔗糖、柠檬酸为主要影响因素，对玉米秸秆饮料的进行感官品尝。最终产品色泽鲜艳，有特殊的稻草香气，酸酸甜甜，口感好，且有着均匀的组织状态[11]。然而，这些仅有的利用方式，对于生物质的利用率来说远远不足，而且其生产的产品，附加值含量较低，并且会造成大量的废弃物，它的经济效益也很低廉，一点都不适用于大规模的投产和使用[12]。几年前，曾大力在我国乡村推广沼气发酵技术，以庭院为最小的单位，通过厌氧生物处理技术厌氧消化农业废物生物质，人畜粪便，庭院垃圾等，生产甲烷，氢气等清洁能源，为自家取暖、燃气和照明等生活方面。从理论上讲，该方法不仅能有效地处理人畜粪便和农业废物，而且能实现废弃物的资源化利用。能说，这种利用方式无疑是解决目前能源短缺问题的有效途径，但实际上，这种方式也有其相应的缺点。从实际操作中，我们能发现：由于每种饲料成分的区别，以及饲料后和消化过程中酸积累引起的酸碱度值的明显变化，低（过高）pH环境或低温（低于15C）会抑制产甲烷菌的活动，因此沼气池产气量受饲料，饲料及消化过程，季节等因素的影响较大，症状出产气不稳，可控性差的缺陷。[13]。除此之外，沼气池还存在一些安全隐患和尾矿难以处理的问题。另外，设备后期维护跟不上，沼气生产的综合效果也不尽如人意。使得现在存在很多沼气池闲置的情况。因此，有研究者便将这些废弃物统一处置，统一管控，厌氧消化的工业化应运而生。但是事实发现，这类应用方式也存在许多不足和限制因素导致废弃物的转化率较低，如利用厌氧生物处理制取乙醇，存在前处理复杂，及灭菌问题，而且对于纤维素生物质原料中大量含有的五碳木糖不能进行发酵；而制取氢气，又存在产生的氢气很可能再发生缩醛反应、产气不彻底、生产效率低等问题；制取甲烷，也存在处理时间长，有机物分解率低，只可用于气态燃料等局限[14]。玉米秸秆预处理现状在农业废物厌氧消化过程中，运用的原料是基质釉轩类木质纤维素，它是由半纤维素，纤维素，木质素和灰分等主要成分组成。它的物化结构非常复杂，有很高的聚合度和结晶度，且其非常难以被微生物难直接消化和利用。为充分利用农业废物的厌氧消化能力，要对生物质原材料进行预处理，来达到破坏苞米秸秆复杂的理化构造的目的，使秸秆的结晶度得以下降，为微生物的降解反应奠定基础，使其拥有良好的环境达到降解效果，从而达到提高酶解率、产酸量、产气率的目的。现在，原材料的预处理办法主要有物理法法，化学法，尘物法法等[15]。物理预处置能提升生物质产量和孔隙率。化学预处理能解聚长链物，破坏化学键，使其聚合度得以下降。判断和选择预处理工艺，不仅要考虑生物质的种类和构成，还要从以下几个方面考虑预处理工艺是否符合条件。首先，预处理后的秸秆是否存在抑制物，改善生物质的水解能否被它改善和优化。第二，碳水化合物是否会被过量降解，进而使其损耗率升高，影响预处理的效果。最终，也还要着重考虑的是，它是否具有成本效益。物理法预处理物理预处理，是不用化学药剂、微生物菌种等包含复杂化学反应的一种预处理工艺技术。粉碎技术（如粉碎和硏磨）、蒸汽爆破、高温液态水预处理、福泽预处理等一系列的预处理工艺都算物理预处理法。物理预处理可以大幅度提高农业废弃物厌氧消化产黄率。（1）粉碎预处理木质纤维素生物质粉碎已广泛应用于生物质能的生产。粉碎预处理减少了生物质的粒径，使木质纤维素的内亚显微构造峰得到改变，纤维素的接触比表面积也随之增加，降低了纤维素的结晶度，也降低了聚合度，同时使厌氧消化的产气量得到提升[16]。依据相关科学研究，0.088到化4mm的物料粒径范围，是最适合农业、林业废弃物进行厌氧杂化的。对于不同物料而言，它的最适粒径会有差别，以多汁叶片为例，粒径对产气量的导致不显著，而秸秆生物质的产气量随粒径的减少而增加。（2）蒸汽爆破预处理蒸汽爆破预处理又称自水解工艺。在一定压力下渗入玉米秸秆纤维组织。加热到一定体温后，会反应一段时候，然后迅速减压。蒸气迅速释放，引起玉米秸秆爆炸，使纤维结构和结晶度得到了严重的破坏，促进玉米秸秆的降解转换。催化蒸气爆炸法与这种方法大相径庭，催化蒸气爆炸法不添加化学物质。一般情况下，蒸汽爆破预处理的温度在160摄氏度至260摄氏度范围内，压力为2至5兆帕范围内，处理时间从若干秒到若干分钟的范围内。在这种原因下，半纤维素被水解，变成低聚木糖或单糖，而木质素也被消除了一部分。此外，木质素上的醋酸基等官能团易产生醋酸等酸性物，会使木质素的水解进程加快。除此之外，高温下的水，有弱酸性的特征，这一特征将进一步使得半纤维素的水解进程加速和催化。蒸汽爆破，是一种广泛应用于生物质预处理进程的预处理方法。然而，蒸气爆炸法在一定程度上具有促进纤维素在非结晶区的结晶，这一可能性将严重阻碍微生物和酶对纤维素的接触，进而阻碍了他们的反应和转化。化学法预处理技术化学预处理技术，是用酸碱或离子液体等化学试剂在预处理过程中破坏生物质的物理和化学构造，从而使原材料的产气率得以提升，进而将其降解率也提升的一种预处理方法[17]。在科学探究中，最常见的几种化学预处理方法如下：（1）碱预处理碱预处理法，是利用氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氨水等碱性物，对木质纤维素原材料进行特殊反应的一种处理技术，消除原材料中的木质素，半纤维素微生物或酶，从而更有效果地接触和降解生物质原材料。碱预处理的作用则是打碎内部的脂质键，这不仅增加了木质纤维素的孔隙率，而且增加了其内部比表面积。同时，降低了多糖的聚合度和结晶度，破坏了木质素的结构，提高了多糖的反应活性，大大提高了纤维素和半纤维素的酶解效率。在化学预处理范畴中，碱预处理法具有高效预处理的特性，是一种极为有效的预处理方法，这一特性能快速破坏木质素、纤维素与半纤维内部的脂键，也能避免半纤维聚合物的损失，使其折损率降到最低。而且研究发现，碱预处理的生物质原料中木质素的移除率较高[18]。（2）酸预处理酸预处理法，其原理是，在有机酸或无机酸的条件下，酸作用于生物质原料，让其内部的纤维素、半纤维素之间的键发生断裂，并产生了低聚糖、单糖，为生物质原料后续的微生物发酵，为酶解反应打下基础，提高了其发酵和酶解反应。依据使用的酸的浓度和温度条件，酸预处理可以分成两种处理方式，即低温浓酸处理和低温稀酸处理。低温浓酸处理法中，浓硫酸、盐酸或磷酸可以将生物质水解为单糖。浓硫酸处理效果虽然比较好，但是浓硫酸毕竟是强酸，它有很强的腐蚀性、危险性，因此对设备的要求也相对较高，在实验中要使用非金属或合金设备等特殊的耐腐蚀性设备。同时，由于浓硫酸具有高污染性的特点，浓磷酸也要进行回收处理，这使得预处理成本的抬高，最终限制了浓酸预处理的广泛应用。离子液体预处理离子液体预处理，是一种新型方式，能进行生物质预处理，它的物理性质化学性质，跟其他分子型溶剂、可溶解纤维素和糖类等都大不相同。十几年以来，由于离子液体应用潜力非常广阔，也在在木质纤维素类等生物质的溶解，转化领域都得以显现。因此，这使得各界的广泛关注，都转移到了开发新型可持续的生物能源技术上。当然，离子液体预处理发展也并非一帆风顺，它在发展中也遇到了很多问题和挑战，所以人们都对它寄予厚望，并使得离子液体的发展向着低粘度、对环境友好、廉价等一系列优点方向，让其在溶解生物质的领域越来越显现其优势。[19]近些年，科研界的很多学者，研究了利用离子液体来预处理纤维素，其原理是：将充分干燥的纤维素与离子液体按照一定的比例均匀的混合，在一定温度条件下，充分进行搅拌让它溶解，这一过程的进行，务必是在无水条件下，设置无水条件的原因是，仅存一点水也会影响离子液体溶解纤维素的反应，在溶解完成的离子液体和纤维素的混合物中，加入C2H5OH或者H2O，能再生纤维素，随后再使用蒸馏水充分将其洗涤，确保蒸馏水完全洗掉离子液体，再次干燥后，进行酶水解的反应，而使用过的离子液体，也能被再次利用，它的方法是通过减压蒸馏除去其中的乙醇或水。离子液体作为一种新型绿色溶剂，对环境无污染，不经衍生化就能溶解纤维素，也能将纤维素大分子结构中的氢键直接破坏，使其比表面积得以增加，有利于纤维素酶与其接触并水解。因此，不难得出结论，离子液体预处理具有高效、可重复使用、无污染等优点，不可否认它的缺点就是比较昂贵。生物法预处理生物预处理法，是生物质厌氧消化预处理过程中常见的一种预处理方式，它的原理是利用白腐真菌、褐腐菌、软腐菌或木质素降解酶等微生物菌和降解酶，处理原料，微生物菌种或降解酶的作用机制是：断裂纤维素和木质素之间的化学键，使木质纤维素生物质中的木质素得以降解，使秸秆的纤维素结晶度得到降低，还能使秸秆的孔隙率大幅增加，据文献数据，它能使秸秆的水解率等沼气产量比未处理的秸秆提高15%左右。在实验进程中，将微生物与玉米秸秆粉末和小麦秸秆粉末分别进行接种，让秸秆被生物水解，测出水解20天后的挥发性脂肪酸（VFA）含量，与此同时，做空白实验与其对照，通过一系列的比较，最终得出哪种微生物消解的效果最好的结论。[20]生物法有较为特殊的特征，即反应条件较其他预处理法更加温和，能量也比其他预处理法投入更低，并且在预处理过程中不会添加任何化学药品，对后续的厌氧消化反应过程的抑制更小等众多优点。但是，美中不足的是，一般情况下生物法预处理时间太长，并且能使木质素得以降解的微生物种类过少，微生物繁殖的条件，和微生物接种的实验过程要求非常苛刻[21]。因此，现在生物法预处理秸秆类生物的方法，还不能广泛引用在厌氧发酵预处理的实验过程中，在其他应用上也受到了很多的限制。2.2.4各预处理法的比较预处理方法多种多样，而众多的预处理方法也各有优劣，为从中选出最好的预处理方法用于接下来的实验中，特做下表用于比较：表2.2.4-1传统预处理方法处理方法主要优点主要缺点物理法增大了酶解或酸解的反应面积，一定程度上提高了酶解或酸解效率木质素不能被降解化学法破坏了木质纤维素的结晶结构，增大了可及内表面积对设备要求高、成本昂贵、能耗大、污染环境且反应装置易被腐蚀联合处理法更大程度的破坏木质结构，可以取得更优异的水解效率操作复杂，成本高由表2.2.4-1所示，传统的预处理方式分为物理法、化学法以及联合预处理法，其中物理法的预处理不够全面，玉米秸秆中的木质素无法被降解；而传统的化学法对设备、成本要求较高，不适用于大量的科学实验中，且容易污染环境；联合处理法操作复杂，成本也高。为进一步探究适用的预处理方式，将化学预处理方法细化，做出对比，如表2.2.4-2所示：表2.2.4-2化学预处理方法处理方法主要优点主要缺点酸处理法增大了酶可及表面积，减少了纤维素的平均聚合度反应条件苛刻，易腐蚀设备碱处理法木质素被大量降解不能打破木质纤维素的晶体结构，酶解时间长离子液体处理法纤维素的结晶度显著降低，反应条件温和，绿色环保规模化放大的效率和成本不明确综上所述，在现存的所有的预处理方法中，酸处理是当前，较为经济节省成本的，化学预处理纤维素的方法，但是它的缺点是蚀性强会对不同设备造成不同程度的腐蚀，它也有污染性，另外对酸的回收过程也是非常困难的。碱处理方法所要求条件较温和，它的优势就是：让纤维素结晶度降低，木质素得到消除，且会使半纤维素、木质素之间的内在交联遭到破坏等优势，但是所需预处理时间长，同时，还存在的问题是，试剂的回收、试剂的中和以及试剂的洗涤成本太高等。若想提高玉米秸秆厌氧消化的产业化效能，需要对秸秆的预处理工艺进行进一步优化，并对秸秆行深入探讨为开发更高效的预处理工艺提供理论依据，从而可进一步提高秸秆的酶解糖产率。所以，最好的方式是离子液体预处理，用离子液体进行预处理能克服酸碱预处理所存在的大部分缺点，而且经离子液体预处理后的玉米秸秆在后续的反应中效果非常好，且对设备条件要求不高，而且最重要的是它具有可回收循环利用，对环境污染小等众多优点。因此，在纤维素的预处理进程中，使用离子液体预处理法，具有很广阔的利用潜能，并逐渐成为现在研究的热点，本课题中也将采用其他预处理方式辅助离子液体对玉米秸秆进行预处理。参考文献[1]曲腾云于伟东.纤维素纤维的生物降解性能[J].纺织学报.2015,11(36):20-26[2]张欢，武崇辉，梁海.黑曲霉AS0006预处理玉米秸秆产沼气研究[J].可再生能源，2019，37（5）：645-649.[3]孟颖，李秀金，王利平，等.氨化预处理玉米秸秆与餐厨垃圾混合两相厌氧消化性能研究[J].可再生能源，2014，32（9）：1365-1370.[4]罗娟，刘春梅，袁海荣，等.KOH/NH3·HO复合预处理稻草厌氧消化优化研究[J].中国沼气，2019，37（1）：48-53.[5]吴南南，蒋丽群，郑安庆，等.离子液体预处理对甘蔗渣快速热解产物的影响[J].可再生能源，2017，35（4）：495-501.[6]刘春梅，余江南，黄振兴，等.离子交换树脂在厌氧己酸发酵过程中的应用[J].基因组学与应用生物学.2019,38(10):4564-4571.[7]玉米秸秆纤维增强仿生制动摩擦材料制备及其关键技术研究_吴思阳_1_5[J].[8]WangK,YinJ,ShenD,etal.Anaerobicdigestionoffoodwasteforvolatilefattyacids(VFAs)productionwithdifferenttypesofinoculum:effectofpH.[J].BioresourceTechnology,2014,161(6):395-401.[9]RoghairM,HoogstadT,StrikDPBTB,etal.ControllingethanoluseinchainelongationbyCO2loadingrate[J].EnvironmentalScience&Technology,2018,52,1496-1505.[10]WangZhinan,HouXianfeng,SunJinLi,MengChen,etal.Comparisonofultrasound-assistedionicliquidandalkalinepretreatmentofEucalyptusforenhancingenzymaticsaccharification[J].BioresourceTechnology,2018,254,145-150.[11]张丽媛,姚笛,阮长青等.玉米秸秆新型饮料研制[J].农产品加工,2018(18):16-18.[12]HouXianfeng,WangZhinan,SunJin,etal.Amicrowave-assistedaqueousionicliquidpretreatmenttoenhanceenzymatichydrolysisofEucalyptusanditsmechanism[J].BioresourceTechnology.2019,272,99-104.[13]Yadav,Neerja.Nain,Lata.Khare,Suni