研究成果

Energy—“生物質熱化學轉化”工作室本科生發展基于動力學補償效應的生物質烘焙動力學及熱力學分析方法

發布時間:2020-07-07 

近日,2017级上海交大农生学院资环系本科生张芷清以共同第一作者身份在热力学领域权威期刊Energy上发表题为“Investigation of kinetic compensation effect in lignocellulosic biomass torrefaction: Kinetic and thermodynamic analyses”的学术论文。Energy是Elsevier旗下知名期刊,其最新JCR影响因子为6.082,热力学领域排名为3/60。论文的通讯作者是农生学院蔡均猛老师,合作者包括农生学院硕士生段涵琦(共同第一作者),南京林业大学硕士生张佑君同学,东莞理工学院郭晓娟老师,英国阿斯顿大学余熙老师,南京林业大学张兴光老师,澳大利亚科廷大学博士生Md. Maksudur Rahman。

 

 

開發利用生物質資源對于環境我國能源短缺矛盾,減少化石能源消耗,有效保護生態環境,促進社會可持續發展具有積極推動作用。生物質原料具有含水量和含氧高、能量密度低、吸濕性強、難于粉碎、流動性差等確定,給生物質的收集、處理、儲存、運輸及轉化帶來問題。作爲生物質預處理技術的一種,烘焙能有效改善生物質燃料特性,提升其熱化學轉化性能。生物質烘培動力學及熱力學分析是生物質烘焙機理探究、系統設計、工藝優化及工業化應用的基礎。

生物質烘焙動力學參數(尤其活化能和指前因子)是解析生物質烘焙動力學機理的關鍵。研究小組采用經典反應級數動力學模型描述單個溫度下生物質烘焙實驗數據時發現,存在多組參數集均能很好描述實驗數據,且它們的指前因子和活化能之間存在動力學補償效應,即指前因子的對數是活化能的線性函數。將各溫度下動力學解析結果綜合分析,研究小組發現各溫度下的動力學補償效應擬合直線相交于一點,其相交點的數值與同時考慮多個溫度下烘焙動力學實驗數據時的優化求解結果非常接近。這說明,可以利用動力學補償效應求解生物質烘焙動力學參數。在動力學分析的基礎上,研究小組還利用Eyring理論計算了生物質烘焙過程的熱力學參數,其可用于生物質烘焙反應熱與烘焙過程熱效率的計算分析。研究小組開發的基于動力學補償效應的動力學及熱力學分析方法可拓展用于其他固體有機廢棄物的熱化學轉化反應分析中,豐富了化學動力學的方法體系。

 

 

张芷清同学于2019年初加入蔡均猛老师领衔的“生物质热化学转化”创新工作室,开展生物质烘焙动力学及热力学机理的研究。本论文是她加入工作室后的第二篇论文(第一篇:Energy, 2020, 201, 117648.)。工作室致力于生物质热化学转化的理论与应用研究,在农业工程、能源与燃料和化学工程等领域的期刊上发表SCI论文40余篇,总被引2300余次,其中3篇为ESI高被引论文。工作室十分注重对学生科研规范的引导,科研方法的训练,创新思维以及论文写作能力的培养。

 

論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544220313979.

 

“生物質熱化學轉化”工作室

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