蒸汽爆破技术的研究
蒸汽爆炸技术
蒸汽爆炸技术
蒸汽爆炸技术是一种利用蒸汽的高压和高温形成爆炸的技术。
在这种技术中，蒸汽被加热至超过其饱和温度和饱和压力，然后突然释放压力，导致蒸汽迅速膨胀和瞬间释放能量，产生爆炸效应。
蒸汽爆炸技术通常用于工业生产中的清洗、清理和研磨等领域。
其原理是利用蒸汽的高压能够迅速而彻底地清除污染物、沉积物或固体表面的杂质。
蒸汽被加热后，压力突然释放，蒸汽迅速膨胀，生成的动能和冲击力可以有效地将污染物或杂质从表面剥离或冲刷掉。
蒸汽爆炸技术具有高效、环保、无化学残留物等优点，被广泛应用于食品加工、化工、石油化工、电力等行业。
然而，蒸汽爆炸技术也存在一定的安全隐患，如果操作不当或设备失效，可能导致爆炸事故发生，造成人员伤亡和设备损坏。
因此，在使用蒸汽爆炸技术时，必须严格遵守相关安全规定和程序，确保设备的正常运行和操作人员的安全。
同时，定期的设备维护和检修也是确保蒸汽爆炸技术安全使用的重要措施。
蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的技术经济分析
蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的技术经济分析随着全球对可持续能源的需求不断增长，秸秆厌氧发酵作为一种绿色能源技术，受到了越来越多的关注和发展。
然而，秸秆作为一种难以降解的生物质，其直接利用效率较低，需要进行预处理以增加厌氧发酵的产气率和稳定性。
蒸汽爆破预处理技术是一种广泛应用于生物质处理的方法，具有高效性、环保性等优势。
本文将从技术和经济两个方面对蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的可行性进行分析。
一、蒸汽爆破预处理技术的原理和优势蒸汽爆破预处理技术是利用高温高压蒸汽对生物质进行处理，使得其纤维素和半纤维素分解产生出易于厌氧发酵的可溶性有机物。
该技术具有以下优势：1、高效性。
蒸汽处理能够在短时间内使得秸秆中的纤维素和半纤维素分解产生大量的可溶性有机物，提高了发酵的产气率和稳定性。
2、环保性。
该技术不需要使用化学药剂，不会产生污染物，对环境无害。
3、适用性强。
蒸汽处理适用于各种类型的生物质，同时可以对不同种类的生物质进行不同的处理方案，以达到最佳处理效果。
二、蒸汽爆破预处理技术在秸秆厌氧发酵中的应用蒸汽爆破预处理技术已经被广泛应用于秸秆厌氧发酵中。
其处理流程主要包括将秸秆经过机械粉碎后加入蒸汽处理器中，在高温高压的蒸汽环境下进行处理，处理后得到的秸秆被送入厌氧反应器进行发酵。
该处理流程具有高效性、环保性、稳定性等优势，可以大幅度提高秸秆的发酵效率和产气率。
另外，蒸汽爆破预处理技术还可以与其他预处理技术如碱处理、酸处理等结合使用，以达到更好的处理效果。
比如，在秸秆厌氧发酵中，将蒸汽处理和酸处理结合使用，可以在短时间内大幅度提高发酵的产气率和稳定性，进一步增加该技术在生物质处理中的应用范围。
三、蒸汽爆破预处理技术在秸秆厌氧发酵中的经济效益从经济效益方面考虑，秸秆厌氧发酵技术的应用可以减少能源的消耗，降低碳排放量，提高发酵产物的附加值。
同时，将蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵中，可以进一步提高发酵产气率和稳定性，降低发酵成本，进一步增加产生的经济效益。
木质纤维素蒸汽爆破预处理技术的研究进展
木质纤维素蒸汽爆破预处理技术的研究进展随着全球能源和环境问题的日趋紧迫，使用可再生、廉价和丰富的生物质资源作为替代能源和替代化学品的需求不断增长，而木质纤维素是其中最重要的资源之一。
木质纤维素是由几乎所有植物组成的多糖复合物，并且它是目前最常见的可再生资源之一。
然而，木质纤维素的高度结晶、结构致密以及层间结合强度较高等特性使其难以高效地分解。
因此，为了改善木质纤维素的分解效率，预处理技术已成为研究重点之一。
在所有的预处理技术中，木质纤维素蒸汽爆破技术是最有前途的。
木质纤维素蒸汽爆破预处理技术是指将木质纤维素与水和蒸汽混合后，在高压高温条件下对其进行短时间处理，从而使木质纤维素的纤维结构产生强烈震荡和破裂，并且造成内部纤维素层的裂解和开放。
这种预处理技术摧毁了木质纤维素的晶体结构，并改变其形态，同时增加了纤维素的可进一步降解性。
到目前为止，此技术已经在多个实验条件下进行了研究，并取得了良好的效果。
在研究中，发现木质纤维素蒸汽爆破预处理技术可以提高纤维素的可降解性和产物的不同程度。
一项研究表明，在使用蒸汽爆破预处理技术时，木质纤维素与降解酶三天后分解率达到70%，而没有预处理的相对分解率仅为37%。
此外，通过蒸汽爆破预处理技术，可以降低木质纤维素颗粒的平均直径、增加颗粒的比表面积和微孔体积，并且也有助于加快生物降解。
此外，研究人员还发现，木质纤维素蒸汽爆破预处理技术对于不同种类的木质纤维素和不同预处理条件存在显著的影响。
例如，预处理压力、温度和处理时间等参数都与预处理效果密切相关。
在预处理温度较低的情况下，预处理时间需要增加以达到相同的效果。
而在预处理压力较低的情况下，达到相同效果可能需要增加预处理温度或预处理时间。
此外，近年来还出现了一些新的改进方法来增强木质纤维素蒸汽爆破预处理技术。
例如，在预处理过程中添加碳酸钠可以增加木质纤维素的易降解性。
另一项改进方法是在预处理前将木质纤维素与离子液体混合，这种方法可以减少预处理所需的时间，同时提高预处理效果。
生物质能工业中的蒸汽爆破技术
生物质能工业我国能源短缺，随着经济的迅速发展和对环保标准要求的逐步提高，迫切需要开发新的、清洁的可替代能源。
在众多可能替代化石燃料的能源中，生物质以其可再生、产量巨大、可储存等优点而引人注目。
而且生物质能是唯一一种可以转换为清洁燃料的可再生能源，其利用技术和化石燃料的利用方式具有很大的兼容性，因此以生物质作为原料不但可以弥补化石燃料的不足，缓解过分依赖大量进口石油的被动局面，实现我国能源安全战略，而且达到保护生态环境的目的。
对于我国这样一个幅员辽阔的农业大国来说，单就农作物秸秆而言，年产量高达7亿多吨，相当于3.5亿吨标准煤。
但目前，如此巨大的秸秆资源非但没有得到有效利用，反而由于就地焚烧已成为我国一大社会公害。
因此，在我国开发利用秸秆生产燃料乙醇和裂解油既具有现实意义，又可推动我国甚至世界范围内以秸秆等农作物废弃物为代表的生物质生产液体燃料更上层楼。
虽然秸秆和木材同属于木质纤维素，都有纤维素、半纤维素和木质素组成（4：3：3），然而在结构和化学组成却有较大的差异，因而秸秆与木材的转化特性不相同。
在秸秆中各种组分的转化特性也不同的，其转化反应特性和转化产品也随着秸秆组分结构的不同而变化。
例如，秸秆生物转化过程主要利用的是秸秆中的纤维素，对木质素和半纤维素生物转化效率低，难于适应工业化的要求。
而秸秆快速热解得到的液体产物中含有大量的酸类（如乙酸）产品，木材热解则以醇类和酮类产品为主。
这表明，秸秆中纤维素、半纤维素和灰分影响了热解过程产生液体产物的品位。
为解决在秸秆转化过程中采用单一的生物或热转化方式存在的问题，应将生物转化技术与快速热解技术有机结合起来，避免在秸秆原料转化液体燃料研究上，套用或沿用木材的技术，传统的生物转化、热化学转化过程把秸秆作为性质“单一组分”的原料，致使其转化的技术经济关久攻不破，因此，为秸秆高效转化的根本出路在于其生物量的全利用，新的高效转化过程应该建立在秸秆组分分离后的分级定向转化以及转化过程间的集成优化原则之上。
蒸汽爆破技术应用现状研究
中国果菜China Fruit &Vegetable第40卷,第7期2020年7月收稿日期:2020-04-20基金项目:泉城产业领军人才（创新团队）项目（2018012）第一作者简介:张博华（1990—），女，研究实习员，硕士，主要从事天然产物提取及功能食品研发工作*通信作者简介:吴茂玉（1972—），男，研究员，博士，主要从事农产品加工方面的研究工作果蔬加工Process蒸汽爆破技术应用现状研究张博华，马超，张明，杨立风，孟晓峰，吴茂玉*（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南250014）摘要:蒸汽爆破技术是一种新兴的原料预处理方式，主要通过高温高压蒸汽瞬间释压破坏细胞壁结构，以促进植物活性成分的释放，该技术绿色、环保且高效。
近几年蒸汽爆破技术在国内发展迅速，在农业和食品领域的应用越来越广泛，该技术的研究对农业和食品资源的开发意义较大。
本文综述了汽爆过程中的物理化学变化，以及在果蔬加工、废弃物改性、谷物粮食加工、中药提取等领域中的应用，以期为该技术在食品领域的广泛应用提供参考。
关键词:蒸汽爆破；基本原理；物理化学变化；应用现状；果蔬；谷物粮食；中药中图分类号：S210.7文献标志码：A文章编号：1008-1038(2020)07-0031-05DOI ：10.19590/ki.1008-1038.2020.07.007The Application Status of Steam Explosion TechnologyZHANG Bo-hua,MA Chao,ZHANG Ming,YANG Li-feng,MENG Xiao-feng,WU Mao-yu *(Jinan Fruit Research Institute,All China Federation of Supply &MarketingCo-operatives,Jinan 250014,China)Abstract:Steam explosion technology is an emerging raw material pretreatment method.It can destroy the cellwall structure by releasing pressure instantaneously to promote the release of plant active ingredients.It ’s agreen and efficient technology.In recent years,this technology has developed rapidly in China and has been applied more and more extensively in agriculture and food areas.The research on this technology is beneficial to the development of agricultural and food resources.This paper reviewed the steam explosion technology and its application in fruit and vegetable processing,waste modification,grain processing and traditional Chinese medicine extraction,in order to provide a valuable reference for the wider application of the technology infuture food processing.Key words:Steam explosion;fundamental principles;physical and chemical changes;application status;fruitsand vegetables;cereals and grains;traditional Chinese medicine蒸汽爆破技术（简称“汽爆”）是近年来发展迅速的一种预处理方法。
造纸工业中的蒸汽爆破技术
5.9造纸工业5.9.1 木材纤维蒸汽爆破制浆蒸汽爆破法制浆是把经预浸处理后的木片装入蒸煮锅中、通入蒸汽在高温高压下蒸煮，使其软化、然后瞬时降压使浆喷出。
爆破法制浆的流程如下：木片制备[平均尺寸20mm×12mm×（2-3）mm]化学预浸（液化1：4，温度60℃，时间22h）高温汽蒸释压爆破磨浆影响蒸汽爆破法制浆性质的主要是预浸条件、蒸汽压力及温度。
预浸使纤维发生一定的润胀，纤维变得柔软，有利于爆破时不受或少受机械损伤。
汽蒸时的高压饱和蒸汽使润胀加速。
爆破时、润胀的木片撞击在集料的罐壁上、导致纤维内部细纤维化和部分解离。
因此可以生产出柔韧的纤维、有利于磨浆能耗的降低和纸页抗张强度的提高。
预浸渍的条件和所用化学药品对浆的性质有很大影响。
一般是在室温、真空条件下进行的。
常用的化学药品是Na2SO3和NaOH，Na2SO3既起抗氧化剂的作用，又使纤维表面的亲水基团数目增加，有利于纸页强度的提高。
氢氧化钠是极好的润滑剂。
Na2SO3中加入少量NaOH使纸页的强度明显提高，磨浆能耗大大减少，但白度、不透明度降低。
蒸煮温度和爆破压力的提高有与延长保压时间相同的效果。
压力越高，爆破时纤维受损机会越大，对纸浆强度不利，故蒸煮温度与爆破压力并不是越高越好。
Law和Bi对爆破机理进行了较为深入的研究，采用原料为黑云杉，制成木片规格为：纵向×弦向×径向＝0.5cm×0.5cm×2.0cm，蒸煮温度分别为170℃、190℃、200℃。
通过外部观察，用亚硫酸钠处理的木片，在170℃爆破后无明显分离现象，190℃时仅发生部分纤维分离，只有在200℃爆破后纤维分离才较为明显。
显微镜观察表明，爆破释放料引起的纤维分离主要发生在胞间层，纤维本身几乎没有遭受损失。
为提高纤维的解离和纤维内部细纤维化的可能性，必须采用化学药品，同时要有足够高的温度。
研究还发现，黑云杉木片在上述条件下并没有发生所谓的“爆米花”现象，这是由于木材是由多孔的纤维构成。
蒸汽爆破技术概述
概述1.1.1蒸汽爆破技术的特点蒸汽爆破预处理是近年来发展起来的一种的预处理方法。
原料用蒸汽加热至180-235℃,维压一定时间，在突然减压喷放时，产生二次蒸汽，体积猛增，受机械力的作用，其固体物料结构被破坏。
蒸汽爆破法技术最早始于1926年，当时为间歇法生产，主要是用于生产人造纤维板。
从70年代开始，此项技术也被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。
80年代后，此项技术有很大的发展，使用领域也逐步扩大，出现了连续蒸汽爆破法生产技术及设备，即加拿大Stake Technology公司开发的连续蒸汽爆破法工艺及设备，并产生许多专利。
80年代后期，Stake Technology 公司，将此项技术应用于制浆造纸领域，它与加拿大魁北克大学共同研究，首先对杨木、后对许多非木材纤维原料进行了大量的蒸汽爆破试验，取得很好的效果。
在此基础上，开发研制了蒸汽爆破制浆技术和设备，并在制浆废液用于生产动物饲料技术方面也有深入的研究。
蒸汽爆破的几个优点可归纳如下：（1）可应用于各种植物生物质，预处理条件容易调节控制。
（2）半纤维素、木质素和纤维素三种组分会在三个不同的流程中分离，分别为水溶组分、碱溶组分和碱不溶组分。
（3）纤维素的酶解转化率可达到理论最大值。
（4）经过蒸汽处理后的木质素仍能够用于其他化学产品的转化。
（5）半纤维素产生的糖可以被全利用，转化为液体燃料。
（6）汽爆过程中产生的发酵抑制物可通过控制汽爆条件而大大降低。
该预处理方法适用于硬木、软木、农业废弃物，如蔗渣、麦草、稻草、玉米秸杆和其他非纤维素原料等各种植物生物质，而且正在这方面发挥越来越大的作用。
汽爆的缺点是：原料经汽爆后相对密度降低，体积增大，产生的发酵抑制物需要水洗去除。
1.1.2蒸汽爆破技术的主要内容蒸汽爆破技术应用领域不断扩大，其研究内容也不断扩大。
蒸汽爆破技术的实施要有相应的配套设备，因此蒸汽爆破设备的研发是该技术的主要研究内容之一，性质相似的原料可通用相同的设备，对某些特殊的原料则需要特殊的汽爆设备。
蒸汽爆破技术及其应用 2
蒸汽爆破技术及其应用摘要：基于秸秆与木材在化学组成和结构上的差异，提出对秸秆不加任何化学药品的低压爆破技术。
在研究秸秆无污染汽爆作用机制的基础上，开发出了无污染汽爆技术清洁制浆、大麻清洁脱胶、秸秆制备腐植酸和活性低聚木糖等一系列创新方法。
该技术不仅在秸秆综合利用上得到应用，而且还可应用于烟草加工、造纸工业、中草药提取和麻纤维清洁脱胶等行业。
关键词：汽爆，秸秆综合利用，清洁生产1928 年，美国的 W.H.Mason[1]发明了爆破制浆技术。
该技术使用7~8 MPa 的饱和水蒸汽作为介质进行爆破，只是在纤维板生产中应用。
因该技术爆破压力高，因此难以推广。
几十年来，各国围绕这项技术进行了大量研究与实验。
1980 年加拿大E.A.Delong[2]发明了Iotech专利，使用3.8~5.2 MPa 的饱和水蒸汽爆破经化学预处理的木片；加拿大的 Stake[3]推出了连续爆破技术，于 1.48~1.76 MPa 下每 4 分钟喷放一次。
其它爆破工艺还有Siropuler，Kokta等。
国内对爆破制浆的研究从80年代中期开始起步，并发表了研究论文。
这些工艺的共同点是针对木材，仍然是先用化学药品预处理木片，再进行爆破。
这样，仍然需加入大量化学药品，造成环境污染。
我们基于秸秆与木材在化学组成和结构上的差异，提出对秸秆不加任何化学药品的低压汽爆技术。
我们利用汽爆技术开发出了清洁制浆、大麻清洁脱胶、秸秆制备腐植酸和活性低聚木糖等一系列创新方法，并研制出3 m、5m具快开门口的汽爆罐，申请了多项国家发明专利。
由于汽爆过程中不添加任何化学药品，消除了污染源；在汽爆过程中所降解的半纤维素，可使之资源化，生产高附加值的双歧生长因子。
因此，从根本上解决汽爆的污染问题。
大幅度降低了生产成本。
目前无污染汽爆技术在秸秆综合利用、烟草加工、造纸工业、中草药提取和麻纤维清洁脱胶等行业应用前景广阔。
1 秸秆汽爆作用机制[7]具有细胞结构的植物原料在高压(1.5 MPa)、高温(190℃)介质下汽相蒸煮，半纤维素和木质素产生一些酸性物质，使半纤维素降解成可溶性糖，同时复合胞间层的木质素软化和部分降解，从而削弱了纤维间的粘结。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
蒸汽爆破技术的研究摘要蒸汽爆破技术是一项近年来迅速发展的预处理技术,应用于制糖、建材以及木质纤维素原料的预处理领域和食品生产以及饲料加工。
论述了蒸汽爆破技术的发展、应用、作用过程、原理以及其影响因素。
关键词蒸汽爆破;技术研究;预处理;木质纤维素中图分类号 s210.7 文献标识码a文章编号1007-5739(2009)11-0278-03在当今世界上,石油、煤、天然气等化石能源的储量是有限的,随着人类文明的进一步发展,对各种能源的需求量也是越来越大。
石油、煤、天然气等化石能源的储量随着人类的开采渐趋枯竭。
这就促使人们致力于各种低成本、可再生的新能源的开发[1]。
植物纤维具有天然、可再生等特性[2],因此利用植物纤维这一巨大的可再生资源,提供人们所需的能源和其他化工产品已成为一种趋势。
植物纤维的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,它们主要存在于细胞(纤维是植物细胞中的一种主要细胞形式),其中,纤维素是纤维的骨骼物质,而木质素和半纤维素以包容物质的形式分散在纤维之中及周围[3]。
研究表明,利用酸或酶水解技术可以将其中的纤维素和半纤维素转化为单糖,并可进一步发酵成酒精、糖醛、丙酮、丁醇等化工原料或生产蛋白饲料等其他高附加值产品[4,5],甚至可以通过一些手段,将植物纤维中的纤维素、半纤维素以及木质素转化为生物汽油等产品。
但是,由于植物纤维本身构造的原因,对其进行直接酶解的利用率极低,因此需要对其进行预处理。
蒸汽爆破(简称“汽爆”)预处理是近年来发展迅速的一种预处理方法。
原料用蒸汽加热至180~235℃,维压一段时间,在突然释压喷放时,产生二次蒸汽,体积猛增,在机械力的作用下,将固体物料结构破坏[6]。
1蒸汽爆破技术的发展及其应用蒸汽爆破技术始于1926年,为间歇法生产,主要用于生产人造纤维板。
从20世纪70年代开始,此项技术被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。
其后此项技术得到很大发展,应用领域逐步扩大,发明了连续蒸汽爆破法生产技术及设备,如加拿大stake technology公司开发的连续蒸汽爆破法工艺及设备,并产生许多专利。
80年代后期,stake technology公司将此项技术应用于制浆造纸领域,并与加拿大魁北克大学共同研究,对杨木及许多非木材纤维原料进行了大量的蒸汽爆破试验,取得了很好的结果。
蒸汽爆破技术最早由mason发明并用于制浆过程,称为masonite 法[7,8]。
随后,在此工艺基础上,人们对蒸汽爆破制浆进行了大量的研究与改进,产生了stake和kokta法以及其他一些重要的爆破工艺,如iotech和siropulper。
目前,蒸汽爆破技术用于制浆已经达到工业化,成为该技术应用最广、研究最深入的一个领域。
蒸汽爆破技术还广泛用于动物饲料加工,尤其是草食动物粗饲料的加工。
刘东波等[9]用小鼠对汽爆秸秆的饲用安全性进行测试。
试验表明,秸秆汽爆后安全无毒,可以作为动物饲料,并且可以提高动物对饲料的消化率。
另外,还可以刺激动物的免疫反应,增强动物的免疫能力。
目前,利用蒸汽爆破技术加工动物饲料已经达到工业化。
利用蒸汽爆破技术处理秸秆,将其进行糖化发酵后制备燃料酒精,已经成为目前研究的主要内容之一。
秸秆经过蒸汽爆破之后,其酶解率可达80%~90%,比未经汽爆的秸秆酶解率提高了60%~70%。
另外,陈洪章等[10]研究发现,麦草秸秆经汽爆后,其半纤维素和部分木质素降解为分子物质,并且使纤维疏松,具有多孔性。
另外,蒸汽爆破技术还广泛应用于制糖、建材、发酵剂以及木质纤维素原料预处理[11]等领域。
随着研究的深入,在植物纤维的高效分离和纤维素预处理活化、固体废弃物处理等领域中,蒸气爆破技术将得到更多的关注和更广泛地应用。
2蒸汽爆破的作用过程及原理分析蒸汽爆破主要是利用高温、高压水蒸汽处理纤维原料,并通过瞬间释压过程实现原料的组分分离和结构变化。
植物细胞中的纤维素为木质素所粘结,在高温、高压蒸汽作用下,纤维素结晶度提高,聚合度下降,半纤维素部分降解,木质素软化,横向连接强度下降,甚至软化可塑。
当充满压力蒸汽的物料骤然释压时,孔隙中的水汽急剧膨胀,产生“爆破”效果,可部分剥离木质素,并将原料撕裂为细小纤维[12]。
在蒸汽爆破过程中,具有细胞结构的植物纤维原料在高压、高温介质下汽相蒸煮,半纤维素和木质素产生一些酸性物质,使半纤维素降解成可溶性糖;同时,复合胞间层的木质素软化并部分降解,从而削弱了纤维间的粘结。
然后瞬间迅速减压,介质和物料共同完成物理的能量释放过程。
物料内的汽相介质喷出,瞬间急速膨胀,同时物料内的高压液态水迅速暴沸形成闪蒸,对外做功,使物料从胞间层解离成单个纤维细胞。
蒸汽爆破过程可以分为2个阶段[13,14]:一是汽相蒸煮阶段。
具有细胞结构的植物纤维原料在高温、高压介质下汽相蒸煮,高压蒸汽渗入到物料内的空隙,半纤维素和木质素产生一些酸性物质,使半纤维素降解成可溶性糖;同时,复合胞间层的木质素软化并部分降解,降低了纤维的粘结强度,而产生纤维素链的类酸性降解、热降解和物理断裂。
二是爆破阶段。
在汽相饱和蒸汽和高温液态水2种介质共同作用下,通过骤然释压,介质和物料共同完成物理能量的释放,这一过程为瞬间的绝热过程,并对外做功。
软化的物料在膨胀气体的冲击下产生剪切力变形运动,并发生分离。
在这一过程中,已渗入纤维素内部微原纤晶体束间的蒸汽水分子以气流的方式高速瞬间释放出来,会使纤维素的微纤丝及晶胞间产生摩擦和碰撞,使晶区变小,可及的晶区表面增大,非晶区和晶区的氢键发生断裂和重排。
一般认为,在蒸汽爆破过程中,存在着以下几方面的作用[15,16]:一是类酸性水解作用及热降解作用。
蒸汽爆破过程中,高压蒸汽进入纤维原料中,并渗入纤维内部的空隙。
在水蒸汽和热的联合作用下产生纤维原料的类酸性降解以及热降解,低分子物质溶出,纤维聚合度下降。
二是类机械断裂作用。
在高压蒸汽释放时,已渗入纤维内部的热蒸汽分子,以气流的方式从较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来,纤维内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动,使纤维发生一定程度上的机械断裂。
这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂、还原端基增加、纤维素内部氢键的断裂,还表现为无定形区的破坏及部分结晶区的破坏。
三是氢键破坏作用。
在蒸汽爆破过程中,水蒸汽渗入纤维各孔隙中并与纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。
同时,高温、高压、含水的条件又会加剧对纤维素内部氢键的破坏,游离出新的羟基,增加纤维素的吸附能力。
瞬间释压爆破使纤维素内各孔隙间的水蒸汽瞬间排除到空气中,打断纤维素分子内的氢键。
分子内氢键断裂的同时,纤维素被急速冷却至室温,使得纤维素超分子结构被“冻结”,只有少部分的氢键重组。
这样溶剂分子容易进入片层间,而渗入的溶剂进一步与纤维素大分子链进行溶剂化,并引起残留分子内氢键的破坏,加速葡萄糖环基的运动,最后导致其他晶区的完全破坏,直至完全溶解。
四是结构重排作用。
在高温、高压下,纤维素分子内氢键受到一定程度的破坏,纤维素链的可动性增加,有利于纤维素向有序结构变化。
同时,纤维素分子链的断裂,使纤维素链更容易再排列。
3蒸汽爆破功率分析由于蒸汽爆破过程时间极短,可以视为绝热膨胀。
有效爆破功率pe是以时间度量的有效爆破功。
因此pe可以用下式表示[6]:m=φαρv式中:m-t时间内膨胀的介质量;δh-爆破前后介质焓差;t-爆破时间;φ-爆破系数,与物料有关;α-物料中气态介质所占比例;ρ-爆破前爆破介质密度;v-爆破前物料体实际体积;s、l、m分别代表气相介质、高温液态水和爆破物料。
上述公式可以定性说明以下几个问题:一是汽相介质。
在物料间隙中的饱和蒸汽的爆破系数φ接近于1,也就是说物料中的饱和蒸汽绝大部分以爆破的方式膨胀。
α代表物料中气态介质所占比例,液体比例大,爆破效果就差,因此物料中含水量对爆破作用影响较大。
随着爆破压力增加,ρ值和δh值升高。
据物性手册介绍,汽相的焓低压时上升较快,在2.0mpa基本达到最大。
因此,并非压力越高越好。
另外,压力过高,操作时间极短,更不易控制。
二是液态介质。
单位体积液态水和相同温度下水蒸气的热焓值相比大得多,但它的膨胀系数极小,这部分焓差需转化为蒸汽才有爆破作用。
虽然可以减压闪蒸,但由于汽化阻力太大,只有少量的汽化。
因此,φ系数极小。
三是爆破时间。
物料的膨胀系数更小,但它对爆破时间和出料口处汽相流失产生一定影响。
出料口越小,更多气体热能转化为动能,但出料时间加长,使较多气体在出料口流失,因此出料口必须有一定比例。
另外,物料的比表面积越小,即物料的尺寸大些,可以减小出料口气体流失。
4影响蒸汽爆破的主要因素影响蒸汽爆破的主要因素有以下几个方面[14,17-19]:(1)纤维原料的种类和来源。
蒸汽爆破处理对纤维原料的组分分离和超分子结构的影响与纤维原料的种类及来源有密切关系。
有关研究指出,蒸汽爆破的效果与原料的孔隙度也密切相关,纤维原料的形态结构和超分子结构的变化程度取决于原料的孔隙度。
孔隙度大,则有利于爆破处理,孔隙度小,则要求更剧烈的爆破条件。
(2)蒸汽爆破前的预浸处理。
预浸处理的主要目的是将纤维软化,有利于爆破时纤维在不受机械损伤情况下分离。
同时预处理使纤维发生一定的润胀,有利于加大水蒸汽的渗入程度,加大水合作用,从而提高处理效果。
(3)爆破压力和维压时间。
蒸汽爆破过程实际就是纤维原料高温软化,在削弱纤维素间的粘结前提下,突然减压时介质的急速膨胀作用将纤维分离。
如果介质爆破功率越大,则纤维离解程度越高。
维压时间的长短,影响到物料中半纤维素的降解和木质素的软化程度以及介质的渗透程度。
爆破压力与维压时间具有相互影响的关系,在国内外研究者中普遍使用爆破强度(logr0)表示。
其中r0用下式表示:r0=texp(t-100/14.75)式中:t-维压时间,min;t-温度,℃。
(4)爆破后纤维的后处理方式。
蒸汽爆破处理后纤维的不同后处理方式对纤维原料的组分分离及超分子结构也有一定的影响。
水、稀碱及乙醇等都是较常用的后处理试剂。
爆破处理后用冷水及热水处理试样,能进一步除去爆破处理试样的水溶物组分。
而稀碱抽提则可将残留的半纤维素和碱溶木质素除去。
乙醇代替水处理蒸汽爆破试样,可以阻止爆破后分离的纤维素链的进一步靠近和氢键的重新生成,有利于提高蒸汽爆破纤维的可及度。
5蒸汽爆破处理方式蒸汽爆破处理方式可以分为批式(非连续)处理、连续处理和液相处理3种。
批式处理是指,物料投入密闭反应器后,依次经过高温高压、骤然爆破的处理,在这期间不另进行投料。
连续式处理是指,物料以一定的速度投入汽爆反应器,经过处理后,以一定的速度排出,从而使整个反应器中的物料保持恒定。
目前连续汽爆设备如stake technology公司开发的stake汽爆系统,该系统主要由水平高压消化器(反应器)和1个排料阀门系统构成。