病死鸡微波水热处理产物特性的试验研究

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shanzhaokai
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随着畜禽养殖业的规模的扩大,每年产生的大量的病死畜禽尸体成为威胁生态安全的重大问题。病死畜禽处理不当会造成病菌和病毒的传播,危害人畜健康,而畜禽尸体又富含脂肪、蛋白质、N/P/K等营养物质。目前常用的病死畜禽处理方法主要为深埋法和焚烧法,这两类方法仍存在造成二次污染的潜在危险,同时又导致了大量的资源浪费。水热处理技术是一种绿色高效的生物质转化技术,已经广泛应用于各类生物质废弃物的处理。微波加热方式除了具有热效率高,可缩短反应时间等优点外,其非热效应也有利于有机组分的转化。结合水热处理和微波加热形成的微波水热技术在处理生物质废弃物方面也具有明显优势。鉴于此,本文选病死鸡作为一种模式畜禽,利用微波水热技术对其进行转化,研究不同反应过程参数(反应温度、保温时间和固液比)对病死鸡微波水热产物分布的影响,探讨不同过程参数对病死鸡的关键营养元素迁移分布的作用机制,对比分析微波和常规水热反应模式中主要目标产物(水相产物和生物油)的差异,研究不同类型的催化剂对主要目标产物特性的调控作用,为实现病死畜禽的资源化利用提供一定的理论基础。目前主要有以下研究结论:(1)通过全因素试验,研究了不同反应过程参数对病死鸡微波水热反应产物的影响规律,结果表明:三种过程参数均对病死鸡水热产物分布有显著影响(P<0.05),反应温度的影响最为显著,保温时间和固液比在不同的温度段对水热产物分布产生不同的影响。高温反应条件下微波水热产物以水相产物和生物油为主,生物油和气相产物产率随温度升高逐渐升高,固相产物产率随温度升高逐渐降低,水相产物产率随温度升高有先升高后降低的趋势。气相产物最大产率未达到10%,在240℃时病死鸡的有机组分完全转化,固相产率仅为6.1%~9.08%;病死鸡中的脂类物质是水热生物油的主要来源,通过GC-MS定性分析,生物油中占比最大的是脂肪酸类物质,此外还含有部分未水解的酯类物质,在低温生物油中存在少量烷烃类和醛类物质,在高温下制得的生物油中含有较高比例的酰胺类和含N杂环类物质。(2)原料中的关键营养元素N/P/K在不同过程参数下的分布呈现较大的差异,K元素极易迁移到水相产物中,在较低温度下就有超过50%的K元素迁移到水相产物中,随着温度升高水相中K含量逐渐升高,在240℃时近乎全部溶解到水相产物中。N元素主要迁移到水相产物中,以氨氮和有机氮的形式存在,水相氨氮含量随着温度升高而增加,水相总氮和有机氮含量随着温度升高呈现先增加后减少的趋势,高温下会有较多的N元素迁移到气相产物和生物油中。P元素主要分布在固相产物中,少量的P以正磷酸盐的形式存在于水相产物中。(3)对比研究了常规水热和微波水热处理对主要目标产物特性的影响:2种反应模式下的水相TN含量均随着温度升高先升高后降低,常规水热反应下水相TN含量更高。常规水热反应下氨基酸总产率随温度升高一直升高,而在微波水热反应下氨基酸总产率随温度升高呈现先升高后降低的变化,微波水热比常规水热更能促进氨基酸的分解;常规水热和微波水热制取的生物油产率均随着温度的升高而升高,在低温段(120-160℃)常规水热比微波水热更能促进生物油的生成,在高温段(200-240℃)微波水热生物油的产率更高;常规水热和微波水热制备的生物油具有较高的热值(34.98~37.22 MJ·kg-1),随着温度的升高生物油中氧含量逐渐降低,氮含量逐渐升高,生物油的热值也逐渐降低。在相同的水热反应条件下,微波水热生物油有更高的热值,而且其N元素的相对含量更少;常规水热生物油和微波水热生物油在主要组成成分上没有明显的差异,均以脂肪酸类的物质为主,2种水热模式下的生物油中N元素均主要以酰胺类和含N杂环类的形式存在,在相同水热反应条件下,微波水热生物油有更佳的可燃性和综合燃烧特性。(4)不同类型的酸碱催化剂(HCl、CH3COOH、K2CO3、KOH)对于目标产物分布有不同的影响,4种酸碱催化剂均对生物油的生成表现出抑制作用,K2CO3抑制作用最大,各催化试验组生物油产率为:无催化(59.41%)>HCl(52.92%)>CH3COOH(52.44%)>KOH(29.67%)>K2CO3(25.65%),碱性催化剂不适用于高脂含量的生物质转化制备生物油。4种催化剂均可抑制N元素往生物油中迁移,其抑制效果为K2CO3>KOH>HCl>CH3COOH,而有机酸(CH3COOH)作为催化剂时不利于N元素迁移到水相产物中进行回收利用。不同类型催化剂对氨基酸总的产率没有显著的影响,碱催化剂可起到抑制天冬氨酸分解的作用,与无催化剂试验组相比,酸碱催化剂均有利于甘氨酸和丙氨酸的回收。
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