低浓度酸对糖类物质的碳化现象分析

　　引言
　　能源是经济运行的命脉、社会发展的基本动力，随着全球经济发展以及世界人口的增长，必将使能源消费持续增长。由此带来的能源与环境危机也日渐凸显，所以开发可再生能源成为减碳和实现社会可持续发展的必然选择。生物质作为生物质能量的载体，是一切有生命的可以再生的有机物质的总称，被认为是唯一一种可储存和可运输的可再生碳能源。生物质在燃烧过程中排放的CO2量等于其在生长过程中从大气中吸收的CO2量，所以生物质具有CO2零排放不会造成温室效应的特点，适合燃烧转化利用，是一种优质的可再生能源燃料，进而引起了世界能源工作者极大的关注。从化学的角度上看，生物质主要由C, H, O, N, S等物质组成，前三个是主要组成成分。一些研究发现，生物质燃料过程能量释放主要取决原料成分训。其中C和H对于生物质燃烧在释放能量方而具有积极的作用，而O则起到负面作用。
　　许多相关文献都报道了生物质燃料存在含碳量低、氧量高的特点，从而在燃烧时存在热值低，燃烧不稳定等的缺点。如Dcmirbas在其关于不同生物质燃料燃烧特性的文章中，详细的介绍了与固体矿物燃料对比，生物质燃料所包含的碳含量很少并且氧含量很高，所以生物质燃料的热值显著的低于大部分煤。许多作者如Sahu等在他们的文章中同样也列出了生物质燃料碳含量明显低于煤，而氧含量是煤的2 - 4倍，热值明显低于煤。针对以上所描述的生物质燃料在燃烧中存在的不足，本研究的目的是希望通过实验找到一种零耗能的方法，用以降低生物质中氧含量并提高碳含量，改善其热值低和燃烧不稳定的缺点，从而使生物质燃烧利用率增加。
　　木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等是半纤维素的结构单元，所以这些糖类物质也是生物质的重要组成部分。贺安琪等曾在研究中发现，含大量水分的浓盐酸在常温常压条件下与葡萄糖可以产生类似浓硫酸脱水的碳化现象根据这一现象，近期实验发现低浓度的盐酸、高氯酸和硫酸在常温常压下对其他糖类物质也有碳化现象，且有快慢之分，但对糖醇类等物质没有此现象发生。从上述研究中选用与盐酸、高氯酸和硫酸反应有明显碳化现象的几种糖类进行详细研究。通过滴定的方法发现各种酸都有少量的消耗，但可以用于循环利用。对其碳化残余物进行元素分析、XPS和红外测试等方法进行测试表征。结果得出在常温常压零耗能的条件下糖类物质与酸反应后，所剩残余物的碳含量升高并且氧含量降低。这为可能改善生物质燃料热值低、燃烧不稳定的缺点，把生物质转化为高能量密度能源物质提供了新的机会
　　1实验部分
　　1.1仪器
　　使用北京先驱威锋技术开发公司生产的ZDJ-400全自动多功能滴定仪的酸滴定法对各样品的稀酸进行氢离子浓度的测定。PH复合电极/型号:E-201-9型(北京先驱威锋技术开发公司). XPS; Analytical Ltd.(日本岛津集团全资子公司)生产，型号:Axis Ultra;铝(Al)靶配石英单色器及双阳极(Mg和Al)靶;Minibcamm型离子枪;能量分辨率:0-8 CV(Ag 3d)。
　　采用Elcmcntar Analyscnsystcmc UmbH公司生产的元素分析仪对样品碳、氢元素的含量进行测定。
　　使用Scientific公司生产的红外光谱仪对样品进行红外光谱测试，光谱分辨率:4CM,扫描次数:64，扫描范围为4000-650.
　　2结果与讨
　　2.1酸碳化单糖现象
　　观察静置数天的加酸的糖类物质，发现不同浓度的盐酸、硫酸和高氯酸对糖醇类物质以及盐酸氨基葡萄糖都不能进行碳化反应，但可以对2-脱氧-D-核糖、果糖进行不同程度的碳化反应，并且同浓度的酸对不同的糖类物质碳化反应有快慢之分。其中各酸对2-脱氧-D-核糖的碳化反应速度都最为迅速，几分钟之内反应液的颜色就由浅黄色变为紫色最后呈黑色。其他糖类物质的反应液随着时间的推移颜色也逐渐加深。浓度为8 mol的高氯酸对糖类物质的碳化能力明显强于浓度为5mol，的高氯酸。
　　2. 2酸耗损量研究
　　取氢离子浓度为8 mol的盐酸、高氯酸各2 mI，分别与1g的2-脱氧-D-核糖、果糖混合。在上述反应中，酸中氢离子摩尔数与糖中轻基摩尔数比在0. 56-0. 71之间，说明反应中糖的轻基量过量，足以使酸中的氢离子充分利用。反应一周后，用1. 70 mol氢氧化钠溶液中和反应液至pH 10左右。并用0. 108 mol，的HCl标准液滴定NaOH溶液的剩余摩尔量。从而计算出与糖反应后酸的剩余摩尔量。并与空白组稀酸的含量进行对比。高氯酸与糖反应后消耗的酸量占原酸含量为19. 6200, 18. 9900, 22. 1500, 20. 8900;盐酸与四种糖反应后消耗的酸量占原酸含量为19. 8700, 20. 5100,19. 2300, 5. 1300。可以看到酸的消耗量大致占原酸量的1/5,剩余酸的处理可以循环再利用。
　　2. 3元素分析
　　2-脱氧-D-核糖、果糖与8 mol的高氯酸、盐酸反应前后碳氢含量变化。从中可以看到两种糖在与酸反应后样品的碳含量都有所增加，而氢的含量也都呈下降趋势。2-脱氧-D-核糖与酸反应后碳氢摩尔比均由原来的增加到1. 1和1. 2，果糖与酸反应后值也都由原来的增加到1. 3。上述结果说明，2-脱氧-D-核糖和果糖与酸反应后可能形成芳环或稠环化合物，这是使产物颜色变黑的主要原因。
　　2-脱氧-D-核糖、果糖分别与8 mol的高氯酸、盐酸反应前后显微红外对比光谱图。从两种糖的光谱中可以观测到在与酸反应后，3 X00 cm附近的轻基峰明显减小，且1 000 cm附近的伸缩振动峰也明显降低，证明了与酸反应过程中糖类物质发生了脱轻基。而在1 600cm都出现了新的碳碳双键峰，可见与酸反应后脱去轻基的同时也使糖的碳含量增加。在1 700 cm出现了新的欺基峰，用0. 1 mol的NaOH清洗与酸反应后的样品再测试，观察到峰位并没有出现明显的变化，则说明此峰并不是梭基峰。
　　3结论
　　低浓度的酸在常温常压零能耗的条件下可以不同程度的碳化多种糖类物质。通过各种表征结果得出，反应后残余物质的碳含量都有明显的增高，且氧含量也降低的现象。此方法的应用有可能弥补了生物质燃料存在的碳含量少、氧含量高，燃烧过程中不易燃烧完全和热值低的缺点。且反应后酸中氢离子摩尔数消耗不多，可以用于循环利用，减少污染。值得提出的是，本实验中所有的反应都是在零能耗的条件下进行的，这大大减少了能源的消耗。此研究的结果可能为改善生物质燃烧特性，产生更高能量密度能源提供了新的机会。