Kinetic study of hydrolysis of xylan and agricultural wastes with hot liquid water

We investigated the kinetics of hot liquid water (HLW) hydrolysis over a 60-min period using a self-designed setup. The reaction was performed within the range 160-220 °C, under reaction conditions of 4.0 MPa, a 1:20 solid:liquid ratio (g/mL), at 500 rpm stirring speed. Xylan was chosen as a model compound for hemicelluloses, and two kinds of agricultural wastes-rice straw and palm shell-were used as typical feedstocks representative of herbaceous and woody biomasses, respectively. The hydrolysis reactions for the three kinds of materials followed a first-order sequential kinetic model, and the hydrolysis activation energies were 65.58 kJ/mol for xylan, 68.76 kJ/mol for rice straw, and 95.19 kJ/mol for palm shell. The activation energies of sugar degradation were 147.21 kJ/mol for xylan, 47.08 kJ/mol for rice straw and 79.74 kJ/mol for palm shell. These differences may be due to differences in the composition and construction of the three kinds of materials. In order to reduce the decomposition of sugars, the hydrolysis time of biomasses such as rice straw and palm shell should be strictly controlled.

黄土高原小流域土壤pH、阳离子交换量和有机质分布特征

通过野外调查采样和室内分析,研究了黄土高原小流域土壤pH、阳离子交换量(cat-ion exchange capacity,CEC)和有机质的分布特征及其与土地利用方式、地形条件和土壤类型的关系.结果表明:黄土高原小流域土壤pH、CEC和有机质分别介于7.7~8.6、11.9~28.7cmol.kg-1和3.0~27.9 g.kg-1,分别服从正态分布、对数正态分布和负二项分布.3种土壤性质随地形、土地利用方式和土壤类型的不同差异很大.不同土地利用方式下,土壤有机质和CEC以林地、草地和农田较高,果园较低;pH则以林地较低,其他利用方式较高;不同地形条件下,3种土壤性质均呈塬面和坡地大于沟道和梯田的趋势;不同类型土壤中,有机质和CEC以黑垆土和红土较高,pH则以黄绵土较高.整体上,土壤有机质和CEC呈现出相似的变化趋势,而pH的分布特征则与之相反

黄土高原土壤水库及其影响因子研究评述

土壤是疏松多孔体,具有存蓄和调节土壤水分的功能。就目前黄土高原土壤水库及其影响因子进行了评述,重点阐述了土壤水库功能及其与三个主要影响因子(气象因子、植被因子、土壤因子)的关系,并对今后的研究做了展望。土壤水库下边界的界定、不同因子对土壤水库的影响以及土壤水库模型的构建等都有待进一步的研究。

黄土高原旱地小麦氮磷钾与有机肥优化配施试验

试验研究了不同施肥处理对小麦产量及肥料、水分利用率的影响。结果表明:氮磷配施对产量的贡献率最高,产量达5 099.8 kg/hm2,增产率达21.5%,较氮、磷肥单施产量分别增产14.0%和18.4%,具有正交互效应;单施有机肥较NM、PM、NPM增产率分别达到6.63%、4.12%、11.3%。化肥配施可显著提高旱地小麦的肥料利用率和水分利用效率,氮磷有机肥配施肥料氮、磷肥的利用率分别较氮、磷肥单施提高1.71和12.55个百分点;氮磷配施可同时提高氮肥、磷肥肥效,此时氮贡献率为15.53%,磷贡献率达12.26%,且水分利用率提高了24.1%,耗水系数降低了17.57%。

黄土区不同土地利用方式下径流量的神经网络模拟

基于黄土坡面降雨—径流关系的复杂性且非线性特性,引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地利用方式(草灌地、刈割地、翻耕地)径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量,并利用野外人工模拟降雨试验所得到不同降雨强度下各类土地利用径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练和预测,取得了较好的结果,平均误差不超过10%。研究结果表明,与传统回归统计方法进行了误差比较,该模型的预测精度更高。

模拟降雨下初始含水量对砂黄土硝态氮迁移特征的影响

利用室内人工模拟降雨,研究了不同初始含水量砂黄土在降雨条件下入渗-径流、土壤侵蚀,以及NO3--N随径流流失和土壤深层淋溶特征。结果表明,初始含水量对产流时刻的影响在相对含水量为49.4%和76.9%之间存在一个转折点,高初始含水量较低含水量产流提前大约15 min;土壤侵蚀量随着土壤初始含水量的增加而增加,相对含水量为97.1%时,侵蚀泥沙量分别是相对含水量22.9%时的2.8倍,49.4%时的2.3倍,76.9%时的1.5倍。初始含水量高的处理径流初始NO3--N浓度高,随后各处理均衰减很快,10 min左右NO3--N含量趋于雨水本底值;土壤初始含水量越低,NO3--N被淋洗的程度越严重,土壤剖面中NO3--N的浓度峰越深。对于黄土高原坡地砂黄土NO3--N迁移特征来看,按照NO3--N迁移数量,随径流和泥沙流失量比向土壤深层迁移的数量小。说明在降雨条件下,NO3--N主要通过土壤深层淋溶损失,且土壤初始含水量越低其损失越严重。针对黄土高原降水量小、分布集中的特点,采取措施增加入渗,蓄积水分,在一定含水量下施肥,以提高氮肥利用率,降低NO3--N的淋溶。

聚（ε-己内酯）泡沫塑料制备与性能研究

随着人们环保意识的普遍提高，可生物降解材料已经成为了世界范围的研究热点。开展可生物降解高分子泡沫塑料的结构与性能的研究，对以可生物降解的高分子泡沫塑料替代不能生物降解的泡沫塑料，遏制白色污染，保护生态环境，具有重要的科学价值和社会意义。本工作选用聚（ε-己内醋）（PCL）为原料，通过辐射方法引发PCL交联，提高其熔体粘度和强度；以AC为发泡剂，制备PCL泡沫材料：添加无机纳米粒子-碳酸钙，进一步提高PCL的发泡倍率。研究辐射剂量、凝胶含量、分子量、AC发泡剂含量、碳酸钙含量等因素对制备泡沫塑料的影响，优化组合，获得PCL泡沫材料。主要研究结果如下：1．采用辐照交联的方法实现了PCL的交联，凝胶含量最高可达到41％；2．交联后的PCL热稳定性略有下降，结晶性能基本没有变化。但是，抗张性能变化很大，弹性模量提高（260MPa-430MPa），断裂伸长率下降（1500％-30％）。由此推测，提高了PCL的熔体强度；3．制备出了PCL泡沫塑料，发泡倍率可控制在2-12范围内。其中，发泡倍率与发泡剂含量、PCL分子量关系密切。当辐照计量大于5Mrad后，辐照计量对发泡倍率影响不大，但是，对泡孔的结构影响很大，即辐照剂量大，得到的泡孔直径小；4．体系中添加CoCO_3使得PCL的发泡倍率进一步提高，最高可达到15倍，并且使泡孔数量增加，体积减小。添加30wt％碳酸钙，PCL泡沫塑料的孔径为147μm，单位体积泡孔数为29.6*10~8cell/cm~3，壁厚4.48μm。

无定形1，2－聚丁二烯的分子链结构和分子链的相互作用

聚合物的结构决定了它的分子链的运动，分子链的运动又可表征聚合物的结构，而且聚合物的宏观性质又受到它的微观运动的影响。因此有目的地开发各种聚合物材料，充分利用其独特的性质，都离不开研究它的微观运动。这就是结构－性能－运动的关系。1，2－聚丁二烯作为一种弹性体，近十几年研究得较多，主要局限在它的链节结构（1，2－链节）与其物理机械性能的关系方面，其目的是为了弥补顺丁橡胶的不足。对于1，2－链节与其分子链的微观运动则研究得较少。然而这方面的研究对于1，2－聚丁二烯弹性体的开发和应用无疑是有益的。研究1，2－聚丁二烯的链节结构与其分子链的相互作用，首先需要选择适当的表征分子链的各种相互作用的参数。聚合物分子链的长程运动，可分为分子链内旋转运动和分子链间相互作用。其中分子链间相互作用通常用聚合物的内聚能密度表示，分子链内旋转运动决定分子链的柔顺性，而它们二者共同影响聚合物的玻璃化温度。因此实验中首先测定1，2－聚丁二烯的玻璃化温度和内聚能密度，从研究1，2－链节与1，2－聚丁二烯分子链的忌的相互作用和分子链间的相互作用着手。实验需要的1，2－聚丁二烯样品部分是用丁基锂制备的，也有别人提供的钼体系和铁体系的样品。样品的1，2－链节含量从8％至90％。主要用线膨胀法（还有DSC法及扭摆法）测定了1，2－聚丁二烯的玻璃化温度。不仅发现了1，2－聚丁二烯的玻璃化温度随1，2－链节增多而提高，而且得到了它们在玻璃化转变时的体积膨胀系数。这个系数对于后面研究分子链柔顺性是有用的。聚合物的内聚能密度是其溶解度参数的平方。实验选用特性粘数法测定1，2－聚丁二烯的溶解度参数，其中关键在于选择适当的溶剂。这方面失败的教训是由于所用的溶剂在化学结构和极性上与聚合物的相差甚大。由于这种限制，测定1，2－聚丁二烯的溶解度参数时，难以找到化学结构和极性合适且溶解度参数又相当的纯溶剂。因此按照溶解度参数理论，配制了不同溶解度参数的环已焓一甲苯混合溶剂，代替部分纯溶剂。测定结果表明，1，2－链节含量为16％的样品，其溶解度参数为8.6（[卡／立方厘米]~(1/2)），其余含量较高的样品，都是8.5（[卡/立方厘米]~(1/2)）。用混合溶剂测定聚合物的溶解度参数还是第一资，其可靠性取决于混合溶剂的溶解度参数的准确性。根据溶解度参数理论，我们提出克分子体积相近，且无特殊的相互作用的二元混合溶剂的溶解度参数，等于它们各自的溶解度参数按体积分数的加合。环已烷和甲苯的克分子体积分别为108.7和106.8立方厘米，它们的溶解度参数的极性分量S_极 → 0，再假定混合时没有吸热效应，它们二者按体积分数加合的溶解度参数可以定量使用。用时还从三个方面进行了验证，(1)用克分子体积相差较大(分别为147.4和89.4立方厘米)的正庚焓－苯混合溶剂作为反证；(2)根据特性粘数理论，用Matsuo方程；(3)由三元(溶剂1－溶剂2－聚合物)体系的Flory-Huggins相互作用参数等，它们都证实了上面提出的混合溶剂测定1,2－聚丁二烯溶解度参数的条件。根据前面的实验结果发现，1，2－链节与1，2－聚丁二烯的玻璃化温度有关，与其内聚能密度基本无关。建么1，2－链节必定与其分子链柔顺性有关。为了更准确地说明1，2－链节对1，2－聚丁二烯分子链柔顺性的影响，需要选择表征分子链柔顺性的参数。聚合物的分子链中相互作用的直观表现是它的分子链柔顺性，而分子链的柔顺性起因于它的链状分子和分子链的内旋转运动。因此我们选用分子链内旋转的参数（内旋转势垒和内旋转异构化能）表征1，2－聚丁二烯分子链的柔顺性。目前文献报道的计算分子链内旋转异构化能的方法，大多数是根据Gibbs-DiMarzio的玻璃化转变理论。这些方法一般都比较复杂。我们提出从聚合物发生玻璃化转变时的温度和体积膨胀系数，计算分子链内旋转异构化能的简便方法。这个方法的基本出发点是认为聚合物发生玻璃化转变时的自由体积，对不同结构的聚合物并非常数，其原因在于玻璃化转变时的聚合物体积膨胀系数部分地来自于分子链构象变化的贡献。分子链内旋转引起构象变化时，分子链的内旋转异构化能也相应地变化。因此玻璃化转变时，分子链的构象变化既对聚合物的体积膨胀系数有影响，又与分子链内旋转异构化能有联系，那么此时的聚合物的体积膨胀系数，与单个分子链的内旋转异构化能必然有某种联系。若用Δα·Tg（Δα是随态和玻璃态的体积膨胀系数）表示玻璃化温度Tg下，单个分子链处于能量状态∈的几率，Ng表示相同温度下，分子链中处于相同能量状态中的柔顺链分数，按照统计力学原理得到∈=-K·TgLn((Δα·Tg)/(1-Δα·Tg))。(1)