生物质能材料

1、生物质能材料姓名： 班级： 学号：摘要:介绍一些常用的生物质能应用和生产方式以及生物质能材料的应用现状和发展前景Biomass energy MaterialsAbstract:In this paper,some commonly used ways of biomass energy conversion,including the technologies of biomass solid molding,biomass liquid fuel conversion and biomass production of as in two ways,were described.关键字：生

2、物质能 生物质能材料 环境、资源、材料 1.1.1环境 环境与人类的生活密切相关，影响着人类的生活和生产活动。一个良好的生态环境是人类发展最重要的前提，同时也是人类赖以生存，社会得以安定的基本条件。现代文明物质生产的原料都来自于自然环境，我们靠环境供给的一切生存着，为了维持生存和提高生存品质，我们不断向环境索取并改造环境，由此有了丰富的，便捷的，享受的现代物质文明，而环境却为现代物质文明的运作，发展承受着我们活动生产的废弃物和各种作用。环境问题也就随之产生，并且趋于严重，已成为世界各国人民共同关心的全球性问题。全球面临着十大环境问题，举例如下： （1）人口问题 （2）温室效应 （3）厄尔尼诺现

3、象 （4）臭氧层破坏 （5）酸雨现象 （6）土地荒漠化 （7）森林破坏 （8）生物多样性减少 （9）淡水资源问题 （10）大气污染 1.1.2资源 人类生存发展和享受所需要的一切物质的和非物质的要素。既包括一切人类所需要的自然物，如阳光、空气、水、矿产、土壤、植物及动物等，也包括以人类劳动产品形式出现的一切有用物，如各种房屋、设备、其他消费性产品及生产资料性商品，还包括信息、知识和技术、人类本身的体力和智力等无形的资财。 资源是国民经济与社会发展的重要基础。有限性是自然资源最本质的体征，因此，出于可持续发展的考虑，在开发利用自然资源时必须从长计议，珍惜一切自然资源，注意合理开发利用与保护。自然

4、资源的可持续利用以成为当代所有国家在经济，社会发展过程中所面临的一大难题。 1.1.3材料 材料指一定结构，组分和性能，具有一定用途的物质。社会发展离不开材料，人类物质文明就是围绕材料的获得，生产和应用实现的。材料的获得，生产和应用始终依赖于环境又作用于于环境，尤其是近现代的人口猛增，材料的发展对环境生产的副作用已明显大于环境的承受能力，环境问题日益严重。所以可持续发展战略的实施迫在眉睫。从而材料的可持续发展必须实施。 木材、秸秆、竹材、淀粉、树皮、纤维素、木质素、蛋白质、甲壳素等生物质基高分子材料是由植物的光合作用，动物和微生物对自然环境的友好耗用形成的，对环境的副作用小，通过植物的生长还能

5、消耗CO2，实现环境净化。 因此，生物质资源是未来替代石油和煤炭等等化石资源并支撑人类可持续发展的一类重要材料资源。虽然世界每年约产出170亿干生物量，但可利用量仅为1300万吨，不足1%。由于石油，煤炭等储存量有限的非可再生资源的不断消耗，其供需矛盾紧张，以及日益增强的全球环境保护法规压力，为生物质基高分子材料的发展和利用开创了一个良好的机遇。由于木材、秸秆、竹材、淀粉、树皮、纤维素、木质素、蛋白质、甲壳素等生物质基高分子材料含有羟基，氨基，醚键等功能基，通过化学，物理，机械等方法可创生出满足不同用途的新材料，也可通过化学降解，物理分离，生物降解等技术将它们转化成为能源或者制备高分子新材料的

6、原料。加之这些生物质基高分子材料及其衍生物具有良好的生物降解性，符合人类可持续发展战略。许多国家的政府都积极资助和鼓励进行生物质基高分子材料资源的利用研究和开发，我国政府也通过实施法律和技术促进我国生物能源，生物材料等生物质产业的技术创新与产业创新，促进我国国民经济和社会可持续发展。近年来，生物质基高分子材料的研究和应用开发正在迅速发展。 生物质能 （1）定义 生物质能是人类利用最早的能源之一，其来源于生物质，也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式，它直接或间接的来源于植物的光合作用。生物质能是贮存的太阳能，更是一种惟一的可再生碳源。在我国，生物质能的主要表现形式有农业生产物及农林废

7、物，生活垃圾，工业有机废物等。但我国生物质能利用起步晚、利用方式简单、效率低因此开发比较环保、高效燃烧技术对我国农村地区生活水平的提高以及环境的改善显有深远的意义（2)特点 1）可再生性 生物质能属可再生资源，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富，可保证能源的永续利用。 2）低污染性 生物质能的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应。 3)广泛分布性 缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能； 4)总量丰富 生

8、物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算，地球陆地每年生产10001250亿t干生物质；海洋年生产500亿t干生物质。生物质能源的年生产量远远超过2007年全世界总能源需求量，相当于2007年世界总能耗的10倍。中国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广，生物质资源还将越来越多。 (3)类别 1）沼气发电 沼气发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术它将沼气用于发动机上并装有综合发电装置以产生电能和热能的一种有效利用沼气方式。该系统用一个密闭型的热动力装置(BTTPU)6包括一套沼气发动机、发电机和一台带出

9、热量的热交换器。与现用的液体发酵主要区别在于物料有机质不需要液化过程在高温厌氧环境下将生物质原料直接装入模块式的密封发酵设备在渗滤液环流作用下使干燥物料潮湿经过几周时间变成甲烷含量达70% 80%的高质量沼气通过沼气发动机转换成电能以及余热利用 1.1 固体利用方式 固体利用生物质燃料技术与燃煤发电技术类似，核心问难是生物质入炉前的成型技术。根据成型工艺的差别主要分为湿压成型、热压成型和碳化成型工艺三种形式。湿压成型工艺主要是将原料在一定液体中浸泡数日，生物质在液体中皱裂并部分降解，然后采用一定方式(通常为高压)将水分挤出，然后成型成为燃料块，热压成型工艺过程与型煤技术类似通常分为原料粉碎、干

10、燥混合、挤压成型以及冷却包装等过程。其中成型方式是核心工艺，碳化成型是将原料送入机器内压缩后柱塞将压好的块料送入热解桶内，物料在已设好温度的热解桶内被碳化，得到相应的产品。 1.2 液体转化利用方式 生物质转化液体方式主要有发酵工艺、生物质液化以及机械萃取工艺。发酵主要是指糖类、淀粉含量较高的生物质制取乙醇.其流程为：先将生物质碾碎，通过催化酶作用将淀粉、糖类转化为糖，再用发酵剂将糖转化为乙醇，初步得到的乙醇体积分数较低(10% 15%)的产品，蒸馏除去水分和其他一些杂质，最后浓缩的乙醇(一步蒸馏过程可得到体积分数95%的乙醇) 冷凝得到液体乙醇。化学式：C6H12O6 2C2H5OH + 2

11、CO2 + 2 ATP (放出能量188kj/MOL) 文字式：糖（葡萄糖、果糖或蔗糖） 醇类（乙醇） + 二氧化碳 + 能量 (ATP) 就实际反应的生化途径而言，在厌氧呼吸的初期，往往是糖酵解途径，之后的途径与终产物有关。 发酵生物质液化燃油是一种以废弃生物质(如各种废弃农业秸秆、废弃木本植物、草本植物及城市有机垃圾)为原料，经特殊的热化学液化工艺转化、分离所获得的新型、绿色可再生的生物质液体燃料。一些含油率高的能源作物如菜籽、油桐、蓖麻、油菜等可以直接经过机械方式经过压榨、提炼、萃取以及精炼等处理方式得到的液体燃料，对植物油进行酯化处理，经过油脂水解、脂肪酸的酯化、酯交换等过程可生产出品

12、质较好的生物柴油。 2）生物质气化 生物质气化技术是将固体生物质置于气化炉内加热，同时通入空气、氧气或水蒸气，来产生品位较高的可燃气体。它的特点是气化率可达70%以上，热效率也可达85%。生物质气化生成的可燃气经过处理可用于合成、取暖、发电等不同用途，这对于生物质原料丰富的偏远山区意义十分重大，不仅能改变他们的生活质量，而且也能够提高用能效率，节约能源。 3）液体生物燃料 由生物质制成的液体燃料叫做生物燃料。生物燃料主要包括生物乙醇、生物丁醇、生物柴油、生物甲醇等。虽然利用生物质制成液体燃料起步较早，但发展比较缓慢，由于受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响，20世纪70年代以来，许多

13、国家日益重视生物燃料的发展，并取得了显著的成效。 4）生物制氢 氢气是一种清洁、高效的能源，有着广泛的工业用途，潜力巨大，生物制氢的研究逐渐成为人们关注的热点，但将其他物质转化为氢并不容易。生物制氢过程可分为厌氧光合制氢和厌氧发酵制氢两大类。 5）生物质发电技术 生物质发电技术是将生物质能源转化为电能的一种技术，主要包括农林废物发电、垃圾发电和沼气发电等。作为一种可再生能源，生物质能发电在国际上越来越受到重视，在我国也越来越受到政府的关注和民间的拥护。 生物质材料（biomass） 1.定义 由动物，植物及微生物等生命体衍生得到的材料，主要由有机高分子物质组成，在化学成分上生物质材料主要由碳，

14、氢，氧三种元素组成。由于是由动物，植物及微生物等生命体衍生得到，未经化学修饰的生物质材料容易被自然界微生物降解为水，二氧化碳和其它小分子，其产物能再次进入自然循环，因此生物质材料具备可再生和可生物降解的重要特性，天然橡胶虽然是由三叶橡胶树等植物衍生，组成也是有机高分子（主要成分为聚异戊二烯），但是其化学成分只由碳和氢两种元素构成，加之其生物降解性较木材，纤维素等生物质材料的差，因此基于上述定义，天然橡胶不属于生物质材料。常见的生物质材料有木材，秸秆，竹材，淀粉，树皮，纤维素，木质素，半纤维素，蛋白质，甲壳素等。2.生物质材料的分类（1）来源 1)植物基生物质材料 2）动物基生物质材料 3）微生

15、物基生物质材料（2）组分 1）均质生物质材料 2）复合生物质材料（3）所含的化学结构单元分类 1）多糖类生物质材料 2）蛋白质类生物质材料 3）核酸 4）脂类 5）酚类 6）聚氨基类 7）综合类生物质材料3. 生物质材料的一般特性特征主要的生物质材料通常具有如下特性特征（1） 生物质材料都含有碳，氢，氧三种元素，部分可能含有氮，硫或者钠等元素，因此生物质材料归属于有机高分子材料，具有有机物和高分子的一般特性特征，例如可以燃烧，分子量大，分子量分布不均一，能够进行与功能基相关的聚合物化学反应，存在不同聚集态结构等。含有氮元素和硫元素的生物质材料通常为蛋白质和聚氨基酸，含钠元素的通常就是海藻酸钠。

16、（2） 生物质材料的种类多，分布广，储量丰富。生物质材料动植物和微生物衍生得到，包括动植物本身具有细胞结构的组织，因此不同的动物，植物和微生物能够产生不同的生物质材料。（3） 生物质材料与合成高分子材料相比，都具有较好的生物降解性，绝大部分生物质材料在自然环境中很快被微生物完全降解为水，二氧化碳和其它小分子。对于木质素，因其分子主体结构是苯丙烷，相对于其它生物质材料生物降解较为困难，但它也能够为白腐菌分解。由于生物质材料的生物降解性，使其废弃物不会产生像合成高分子一样的“白色垃圾”，属于环境友好型材料。（4） 生物质材料能够再生。合成高分子材料的原料是储料有限的石油和煤炭等化石资源，而生物质材

17、料的原料是二氧化碳和水。通过植物的光合作用，将二氧化碳和水转化成植物基生物材料，部分动物或者微生物再以植物基生物质材料为原料就可获得动物基生物材料或者微生物基生物材料。合成高分子材料废弃后，通过降解，燃烧等处理不能再转化为起始的石油和煤炭，而绝大部分生物质材料在自然环境中通过生物降解，完全降解为水，二氧化碳和其它小分子有机组分，产物再次进入为原料，绝大部分生物质材料通过燃烧或者在自然环境中被微生物完全降解为水，二氧化碳和其它小分子，产物又进入自然界循环。因此，生物质材料是资源丰富，可再生的材料，通过自然界碳循环可以实现永续利用，是未来支撑人类的可持续发展重要材料资源。（5） 生物质材料能够进行

18、与功能基相关的聚合物化学反应，这是对生物质材料进行改性与利用的重要依据。不同种类的生物质材料，其功能基种类不同，多数都富含羟基和烷基。对于含多糖类生物质材料，木质素和核酸等，还富含醚键;对于蛋白质类生物质材料，聚氨基酸和核酸等富含酰胺基，氨基或者羧基;对于脂类生物质材料和核酸含有丰富的脂基;对于酚类和部分蛋白质类生物质材料还含有丰富的苯环。针对生物质材料所含的功能基，就可以设计合适的化学反应，实现生物质材料的改性与利用。例如，利用生物质材料所含的烷基，通过自由基反应，实现对生物质材料的接枝改性和交联化;利用纤维素中羟基的酯化反应，可以制得硝化纤维，醋酸纤维，纤维素磺酸酯等多种改性纤维素。（6）

19、 水分对生物质材料的性能影响明显。（7） 生物质材料通常是多组分伴生（8） 生物质材料的结构和性能变异大由于生物质材料的多组分伴生以及结构和性能变异大等特征，使得生物质材料提取，加工和利用相对困难。4. 生物质材料的应用 生物质材料具有资源丰富，来源广阔，可再生以及可生物降解等特点，使其得到了广泛的应用。目前，生物质材料已逐渐得到广泛应用。像合成高分子材料一样，生物质材料可以制成塑料，工程塑料，纤维，涂料，胶黏剂，功能材料，复合材料等，应用在生活生产的各个领域中。生物质材料的应用方法主要有如下四方面。（1） 直接利用通过物理或者机械加工，直接将生物质材料制成各种产品，例如将棉花纺线，再制成布匹

20、，纱布等;将木材制成各种实木家具，饰品，或者制成各种用途的板条，圆木，木方等;利用猪皮移植到烧伤的皮肤;西药制备中，将淀粉提纯后用于稀释医药;通过将提纯的纤维素溶液于铜铵溶液或者尿素-氢氧化钠溶液，再经纺丝制成纤维等。（2） 改性利用基于生物质材料所含的功能基，通过聚合物化学反应，制备出化学结构和性能与反应前不同的材料。这是生物质材料应用的主要方法。主要的聚合物化学反应有如下几种。 1）衍生物 2）接枝 3）交联（3） 复合或者共混将一种生物质材料与另一种生物质材料或者合成高分子材料通过复合或者共混的方法，制备具有更好品质的新材料。这是生物质材料阴应用的另一种主要方法。例如，将淀粉添加到聚乙烯

21、中，制成淀粉共混型聚乙烯农用薄膜，使之具有一定的生物降解性;将木质素在偶联剂存在下与聚乙烯复合，制得的木质素-聚乙烯复合材料不仅成本降低，还能增加力学强度和提高热稳定性。（4） 转化利用 在热，催化剂存在下，将生物质材料转化成为分子较小的化工原料，这是近十几年来逐渐兴起的一种生物质材料利用途径。例如将木材，木质素，单宁，淀粉，树皮等在苯酚或者聚乙二醇存在下液化，转变成为活性基团更多，分子量小的产物。这些产物被用作制备塑料，泡沫，胶黏剂等高分子材料。当然，通过裂解或者发酵，将生物质制备燃油，燃气，乙醇等能源物质也是生物质材料的一种通过转化利用方法。 总而言之，生物质材料的加工利用受到各国政府和学者的密切关注，大量的人力，物力投入到高效，低成本，高性能的生物质材料研究与开发上，生物质材料科学与工程将不断发展，其应用也不断扩展，在未来必将能够支撑人类的持续发展。5.发展生物质材料的意义 发展生物质材料有两个重要意义：保护人类赖以生存的自然环境和替代以石油，煤炭等化石资源为原料的合成高分子材料。 据统计，04年全世界就三大合成材料之一的塑料总产量已超过2.1亿吨。如此巨大的生产量所带来的负面效应是消耗大量的石油，煤炭等化石资源，并产生大量废弃物。尽量降低合成高分子材料和再回收利用能够一定程度减少合成高分子废旧物。