生物質能具有資源豐富、可再生、清潔等優點，其開發利用是國內外廣泛關注的課題．生物質及其廢棄物可成型作燃料，成型方法和型塊的性能等已有較多研究：生物質型煤技術可以充分利用煤和生物質的自身優勢，又便于保證燃料熱值，減少溫室氣體和S02的排放，國內外對生物質型煤技術進行了廣泛研究，土耳其把褐煤和松果、鋸木、造紙廢液等混合在50～250 MPa壓力下制燃料型煤，生物質添加量為0～30%．西班牙將鋸木、橄欖核和劣質煤混合，用腐殖酸鹽作黏結劑制型煤．日本開發出成型壓力達200～400 MPa的成型機，用于生產生物質型煤，無干燥工序：中國礦業大學、河南理工大學等對改性農作物秸稈作型煤黏結劑進行了實驗研究：，本文借助紅外光譜和顯微觀測等技術手段，對生物質型煤的成型機理進行系統研究，同時研究其防水性能，以促進生物質型煤技術的發展和推廣應用．
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1、試驗條件
    生物質原料為玉米秸稈，取自焦作農村，粉碎至3 mm以下備用．型煤黏結劑為玉米秸稈經處理制得的固液混合物，由生物質纖維和黏稠液組成．原料煤為平頂山煙煤，破碎至3唧備用，其煤質特性：分別為1. 81%，6.54%，29. 92%，61. 73%．
    型煤微觀結構觀測系統：包括顯微鏡，安裝視頻采集卡和圖像分析軟件的計算機．TENSOR 27紅外光譜儀，德國Bruker公司生產．
2、試驗結果與討論
2.1玉米秸稈及其制備黏結劑的紅外光譜分析
    分別將玉米秸稈原料及其制備黏結劑的樣品按要求壓片，用TEN-SOR 27紅外光譜儀分析，2種樣品的紅外光譜分別如圖1所示．
    由圖1可知，玉米秸稈及其制備黏結劑的紅外光譜整體峰形類似，屬于秸稈原料主要成分的特征峰在圖l(b)中依然存在，如纖維素和半纖維素的相關譜帶1164～1 167，1047一1060，1730一1732和897—901cm，以及與木質素相關的l 500 ~1 515，1594—1 607和1 327 ~1 331cm一特征譜峰等，說明玉米秸稈經處理得到的黏結劑中存在大量的生物質纖維，他們在生物質型煤中可起連接作用．與圖l(a)相比，圖l(b)中出現一些新的吸收峰，一些特征峰的位置、強度、峰形變化，如4 000—3 400 cm-l和2 000—1  500 cm“之間出現了許多新的尖峰；3 415—3 349,2 923，l 427，l 327，1 252，1 164和1 061 ~1 047 cm“處吸收峰相對強度降低，901 cm“處吸收峰的吸收強度顯著降低，并呈肩狀，這可能也與871 cm“處較強新峰的干擾有關，上述變化表明，玉米秸稈經處理后，纖維素、半纖維素等碳水化合物有一定程度的降解．木質素結構中苯環在1 515 cm“和1 607 cm-l處的特征吸收峰的強度增加，1 327 cm-l處與紫r香基有關的表示C-O伸展振動的吸收峰強度降低，l 252 cm-1處包含酚類中的c-o伸縮振動的吸收強度也顯著降低，表明玉米秸稈中的木質素部分降解，導致苯環吸收峰的強度增加，芳構化程度趨于升高．以上結果表明，秸稈原料經處理后，纖維素、半纖維素和木質素等成分部分降解，得到低分子糖類等物質，作為型煤黏結劑中黏稠液的重要成分，在生物質型煤內起黏結作用，制備型煤黏結劑需經水浸、堿煮等工藝過程，秸稈原料的成分在微生物、熱堿液等作用下發生降解，但由于使用的堿液堿性較弱，堿煮溫度低于100℃，所以秸稈原料中纖維素、半纖維素和木質素等成分僅部分降解，圖1(b)中871，712 cm“出現新的強吸收峰，這是碳酸根離子的伸縮振動和彎曲振動產生的，l 410 cm一處是碳酸鹽的特征吸收峰，表明在生物質型煤中有某種碳酸鹽存在，這有利于提高型煤的機械強度和防水性．
2.2生物質型煤的微觀結構
    將原料煤和黏結劑按7:3的比例混合，攪拌均勻后，在小于30 MPa的壓力下成型，所得型煤樣品尺寸為∮mm×30 mm．生物質型煤薄片在中國地質大學（北京）磨片室制作，圖2是薄片在顯微觀測系統下的顯微圖片，其中黑色部分是煤粒，灰色部分是生物質纖維．如圖2(a)所示，長度為1～3 mm的長纖維在型煤內部縱橫交錯，形成大的網絡結構，本文稱為“一級網絡結構”，“一級網絡結構”在整個生物質型煤內部起連接作用，對型煤的成型具有重要作用，如圖2 (b)所示，
“一級網絡結構”內部，小于1mm的短纖維素形成“二級網絡結構”，在小的區域中起連接作用．
    生物質纖維構成的多級網絡結構中，不規則地嵌入粒度不同的煤粒，生物質纖維對煤粒起連接、固定作用．測定生物質型煤的抗壓強度時，壓力升至一定程度，型煤出現裂縫，但此時壓力機并未停止加壓，如圖3 (a)所示（加壓過程的后半部分），應力應變曲線繼續呈拋物線上揚，直至出現較大裂縫．測定過抗壓強度的生物質型煤，往往“藕斷絲連”而成整體，分析可知，生物質型煤受壓出現裂縫時，生物質纖維的連接作用和其本身的彈性對外界壓力起緩沖作用，使型煤不會馬上破碎，間接提高了其機械強度．而采用無機黏結劑制取的型煤在加壓時，一旦達到抗壓強度臨界點，型煤隨即破碎，應力應變曲線突然轉折，轉折前基本上呈直線，如圖3 (b)所示（加壓過程的后半部分）．型煤黏結劑是生物質纖維和黏稠液組成的固液混合物，黏稠液存在于型煤內部的孔隙中，在牛物質纖維之間、生物質纖維和煤粒之間以及煤粒之間起黏結作用．圖2的白色區域中與生物質纖維顏色相同的不連續的部分，即為黏稠液的固化物．
2.3  生物質型煤的成型機理
    對生物質型煤微觀結構的觀察可知，在型煤內部，生物質纖維形成的多級網絡結構將不同粒度的煤粒連接、固定．由玉米秸稈及其制備黏結劑的紅外光譜圖對比分析可知，秸稈經處理部分降解，降解產物與黏結劑中的其它液態組分一起形成黏稠液，在生物質纖維之間、生物質纖維和煤粒之間以及煤粒之間起黏結作用．型煤黏結劑自然晾干，可得到強度、硬度都很高的整塊固體，表明黏結劑本身具有較強的黏結性，且這種黏結性主要由黏稠液決定．生物質型煤黏結劑固化后具有很高的強度，有利于提高型煤的機械強度，根據相似相容原理，生物質型煤內部，具有活性基團生物質纖維高分子與煤中活性基團可能形成共價鍵或氫鍵，非極性分子間也可能產生色散力，黏稠液滲透到煤的微孔結構中，固化后在界面上產生了嚙合力，這些力共同作用使型煤各組分緊緊黏結在一起，無機黏結劑型煤中，凝膠體的性質對型煤機械強度有很大影響；生物質型煤中，黏稠液相當于上述凝膠體，生物質型煤內部還存無機黏結劑型煤所沒有的多級網絡結構，所以前者比后者具有更好的機械性能，生物質纖維的結構特征和彈性不利于生物質型煤的成型和機械強度形成，但黏結劑各組分的共同作用彌補了這一不足．
2.4生物質型煤的防水性能
    型煤的防水性是衡量型煤質量的主要指標之一，型煤防水性以浸水強度和浸水復干強度表示，本文所用生物質型煤2號樣品的防水性測試結果為抗壓強度：1645 N/個；浸水強度：235.5 N/個；浸水復干強度：1005.5 N/個，由此可知，型煤樣品具有較好的防水性．生物質型煤在水中浸泡24 h后，晾干制成薄片，將其顯微圖片與圖2進行對比，結果發現，生物質纖維的顏色變淺，網絡骨架變細，界線趨于清晰，但生物質型煤內部的多級網絡結構仍然存在，表明其對增強生物質型煤的防水性具有重要作用．取少量生物質型煤黏結劑自然晾干后得到的淺黃色固體物質，置入水中浸泡數日后取出，測試發現其仍具有一定的強度和硬度，表明黏結劑的固化物本身具有良好的防水性，而且其防水性由黏結劑中的黏稠液決定，這是生物質型煤具有防水性的基礎．
3、結  論
    (1)生物質原料經處理制得的黏結劑中存在大量生物質纖維，它們在型煤內部形成網絡結構，不同粒度的煤粒分布在這個網絡結構中，生物質纖維對煤粒起固定、連接作用．
    (2)秸稈原料在處理過程中產生的低分子糖類等物質和黏結劑中的其它液態組分一起形成黏稠液，黏稠液在生物質纖維之間、生物質纖維和煤粒之間以及煤粒之間起黏結作用．
    (3)生物質網絡結構在型煤浸泡24 h后仍然存在．
    (4)型煤黏結劑的固化物具有良好的防水性，且這種防水性由黏結劑中的黏稠液決定．
生物質多級網絡結構的連接作用和黏稠液的黏結作用是生物質型煤成型的基礎；生物質多級網絡結構和黏結劑本身的特性是生物質型煤具有防水性的關鍵．
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