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研究成果

Renewable Energy—“生物质热化学转化”工作室开发基于羰基含量变化的生物油老化动力学模型

发布时间:2022-09-20 

近日,上海交通大学“生物质热化学转化”工作室在绿色可持续发展技术领域Top期刊Renewable Energy(中科院JCR分区一区期刊,影响因子为8.634)上发表题为“Exploring aging kinetic mechanisms of bio-oil from biomass pyrolysis based on change in carbonyl content”的研究论文,开发基于羰基含量变化的生物油老化动力学模型,为探究生物油老化机理提供理论支持。

图1.论文发表截图

生物油是生物质经快速热解后的液体产物,是一种潜在的液体燃料和化工原料。刚生产出的生物油具有高含水量、高含氧量、高粘度等特点,同时其包含的强反应活性化学物质在储存过程中发生酯化、缩聚和聚合等反应,导致生物油的化学组成、相态、粘度和分子量等理化性质随时间发生变化(即生物油老化),严重影响生物油的保存、运输、处理和使用。生物油老化动力学可探究生物油老化规律,预测生物油老化速率和评估减缓生物油老化策略的有效性。以往研究中常采用粘度或分子量作为评估生物油老化程度的指标,并构建基于粘度和分子量变化的生物油老化动力学模型。老化过程中,生物油羰基含量因其官能团组分一系列的化学反应而呈现规律性变化。同时相较粘度测试,生物油羰基含量更易测定且测量结果误差更小。为定量描述老化过程中生物油羰基含量变化规律,论文开发基于羰基含量变化的生物油老化动力学模型:(式中C为羰基含量,t为时间,ka为老化反应速率常数,n为老化反应级数,C为完全老化生物油羰基含量)。图2展示了基于羰基含量变化生物油老化动力学模型的参数研究结果。

图2.不同参数对基于羰基含量变化的生物油老化动力学模型数值结果的影响

 

利用基于羰基含量变化的生物油老化动力学模型解析生物油老化动力学实验数据时,需要求解模型参数。论文采用模式搜索法优化求解老化动力学模型参数,优化计算过程如图3所示。构建的动力学模型可准确描述生物油长期老化和加速老化行为,如图4所示。通过优化求解得到的生物油老化动力学参数可定量描述生物油长期老化和加速老化的差异:加速老化的反应速率常数比长期老化大两个数量级,长期老化的反应级数比加速老化大。

图3.生物油老化动力学模型参数优化求解

图4.两种生物油长期老化和加速老化的模型解析结果

上海交通大学“生物质热化学转化”工作室硕士生胡杭丽为论文第一作者,工作室负责老师蔡均猛为通讯作者。上海交通大学万博manbetx网页版在线登录本科生罗滟如,硕士生邹剑锋,博士生Dominic Yellezuome、李英凯和李冲,美国Columbia University硕士生张书恺,以及澳大利亚Curtin University博士生Md. Maksudur Rahman参与了研究工作。

图5.论文图形摘要

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.09.049

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