魯秀杰1，劉德芳2，宋魁彥2

（1.黑龍江省通河縣清河林業局，黑龍江通河150913；2.東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：傅里葉變換紅外光譜是靈敏度高、波數準確、重復性好，用以確定分子組成和結構的定性和定量分析技術。主要對傅里葉紅外光譜技術在生物質固體燃料、生物質熱解、生物質液化等研究中的應用進行分析和闡述，介紹了傅里葉變換紅外光譜及其聯合分析技術的應用。

0前言

生物質能源是一種可再生的環境友好型能源，具有二氧化碳中性的特點，這一特點促進了生物質能源的快速發展。生物質的能源化利用是將生物質中的纖維素、半纖維素和木質素等化學組分通過熱、化學、生物等轉變，形成新的能源形式的過程。傅里葉變換紅外光譜技術（FTTR）可用于判斷生物質能源轉化過程中的化學變化，其自20世紀70年代出現以來，一直以靈敏度高、波數準確、重復性好等優點受到科研人員的青睞，它是一種根據未知物紅外光譜中吸收峰的強度、位置和形狀確定分子組成和結構的有利工具，廣泛用于有機物、無機物、聚合物、配位化合物的定性和定量分析。傅里葉紅外光譜能夠對化學官能團進行準確分析的特性使其在眾多領域得到應用。傅里葉變換紅外光譜分析技術在研究生物質固體燃料表面特性、燃燒生成物質分析，生物質熱解氣化產物分析，生物質柴油和生物質乙醇研究等方面均有較為詳細的報道，本文主要對其在生物質固體燃料、生物質熱解、生物質液化等研究中的應用進行闡述。

1傅里葉紅外光譜技術在生物質固體燃料研究中的應用

生物質固體燃料是生物質能源化利用最直接的方式，傅里葉紅外光譜技術可以應用于生物質固體燃料表面特性和燃燒生成物質的分析中。Stelte等研究了不同原料在100℃壓縮成型生物質固體燃料顆粒的強度和界面結合性能，利用FTIR分析燃料顆粒表面官能團的變化時發現，稻草抽提物在2850cm-1和2920cm-1處出現甲基C-H單鍵振動的特征吸收峰，而稻草木質素在1510cm-1處的特征峰沒有木質材料的峰強度高，說明稻草中蠟質的存在和木質素綿含量較低是造成稻草基固體燃料顆粒強度及界面結合性能較差的主要原因。此外，他們還對不同成型溫度下的生物質固體燃料顆粒進行了紅外光譜分析，發現溫度100℃時壓縮成型的稻草、山毛櫸和云杉等生物質燃料顆粒表面均在2800～2900cm-1處出現特征峰，說明此時原料內部的抽提物質在高溫下移動到了生物質燃料顆粒的表面。

傅里葉紅外光譜技術在生物質型煤燃燒中也有所應用，利用熱分析儀和傅里葉紅外聯用技術（TG-FTIR）分析煤與麥秸、木屑、玉米秸稈混燃過程中CO和CO2等氣態產物隨時間變化的規律，并根據燃燒時900~1500cm-1處出現C-H面內彎曲振動，C-O、C-C骨架振動，600~1850cm-1處出現C=O雙鍵伸縮振動判斷在燃燒過程中有醇、醛、酮、羧酸等大分子物質產生；根據2020~2220cm-1處出現CO吸收峰、2280~2390cm-1處出現CO2吸收峰強度的不同，分析不同生物質或不同生物質與煤配比后燃燒特性的差異。

2傅里葉紅外光譜技術在生物質熱解研究中的應用

生物質熱解是指生物質在完全無氧或缺氧條件下熱降解，最終生成生物油、木炭和可燃性氣體的過程。TG-FTIR聯用分析技術可用于對生物質能源熱解后紅外譜圖特征吸收峰的實時監測，建立溫度或時間等因素下的三維紅外譜圖，從而對CO2、CO、H2O、CH4、苯酚、酸、碳基化合物和碳水化合物等含量的實時變化情況進行評價。Bassilakis等分析了煙草中三種典型成分木聚糖、綠原酸和D-葡萄糖的模型，鑒定在不同溫度條件下生物質熱解中揮發物質的模型；Yang等利用FTIR分析了熱解條件下生物質中三大組分及熱解過程中揮發分的含量變化。

生物質組分在熱解過程中發生了較多的內部反應，從紅外譜圖中發現木質素的存在使含有2-呋喃甲醛和C=O官能團的物質有所降低，半纖維的存在使左旋葡萄糖的產量大幅度降低，而羥乙醛的含量卻大大升高；DenghuiWang等分析了MCM-41酸催化劑和CaO基礎催化劑催化熱解過程中揮發分的組成和形成特性，從揮發分的含量中得到兩種催化劑都具有不同的產出貢獻率，MCM-41酸催化劑使含羰基的物質產出降低，而苯酚、碳水化合物和CH4的含量有所升高，這表明CaO是一種有效的酸生成促進劑。

利用TG-FTIR分析木材中抽提物變化對生物質熱解過程影響機理的研究中發現，抽提物含量和組分的不同歸因于木質素中紫丁香基和愈創木基含量的不同，水曲柳在高溫下熱解產物中甲醇和甲烷的含量較高，主要是由于水曲柳中酚類物質的降解；抽提過的生物質比未經抽提的生物質原料具有更高的活化能，比較容易進行主產物的釋放。

氣相色譜-傅里葉紅外變換聯用技術（ＧＣ－ＦＴＴＲ）也在生物質熱解產物的種類鑒定上有所應用。利用GC-FTIR技術分析不同熱解溫度下氣相色譜隨時間的變化，根據該時間對應紅外光譜的特征譜圖，可確定該時間下氣相色譜對應峰的熱解產物種類。González等研究了不同溫度處理條件下煙草熱解過程中各物質的變化，確定古巴煙草熱解的主要產物是二氧化碳、甲酸和乙酸、氮化物、苯酚、酮類和酯類化合物。

FTIR也用于生物質的快速熱裂解反應氣相、液相和固態產物的分析試驗中，在椰殼的快速熱裂解產物研究中發現，在溫度600℃時液相產物中出現C-H、C=O和C-O-C鍵振動，而剩余炭未出現C-OH和C=O的振動，說明生物質中酯類和羧基化合物有所降解，氣相產物中的主要物質是CO2，此外，在吸收了D2O的含水椰殼的熱裂解紅外譜圖分析中發現C-H鍵的變化較小，從而得出生物質中水分的存在對高溫下H2的產出影響不大。姚燕等利用紅外分析技術研究了木質素熱裂解產物，發現木質素的熱解氣體析出機理比纖維素復雜，主要產物為一氧化碳、甲烷及呋喃等。

3傅里葉紅外光譜技術在生物質液化研究中的應用

生物質液化是指通過熱化學或生物化學的方法將生物質全部或部分轉換成液態燃料的過程。熱化學法主要是采用快速熱解、加壓催化等方法將生物質大分子降解成為分子質量分布廣泛、具有反應活性的液態小分子；生物化學法是采用水解、發酵等方法將生物質轉化為燃料乙醇的方法。傅里葉變換紅外光譜分析技術在生物質液化產物的分析中也有廣泛的應用，可以利用衰減全反射和傅里葉紅外聯用（ATR-FTIR）檢測技術快速對液態產物進行測試，實驗過程簡單，測試準確。

左承基等對木質生物質在280~380℃水中直接液化產物進行了傅里葉變換紅外光譜技術分析，研究表明生物質的液化產物比較復雜，是烴、醛、酮、酚和酯等各類化合物的混合物。利用FTIR技術對玉米秸稈熱解生物油特性分析發現，其高溫下的產物由水、有機酸、醛、酮、醇、醚、酯、酚等復雜成分組成。TG-FTIR對熱解過程中氣體產物的形成和釋放特性可以進行快速在線分析，通過對非等溫熱解過程的氣體分析可以定性解釋其熱解行為，發現生物油中重質組分的裂解主要在中高溫階段，該技術在分析不同催化劑對生物質的催化特性及產物成分中也發揮了重要作用。

在生物化學轉化制備乙醇燃料的過程中，傅里葉紅外技術也得到了應用。生物質乙醇制備的第一步需要對生物質中纖維素進行提取，常采用高溫、蒸汽爆破、酸處理、離子液體等預處理方法，在預處理效果檢測中，FTIR可用于分析預處理的效果。此外，傅里葉變換紅外光譜分析還可用于檢測不同催化劑電化學催化作用下的乙醇和生物乙醇完全轉化成CO2的能力。

4結束語

生物質能源研究是當今廣受關注的熱點問題，傅里葉變換紅外光譜分析技術及其與其他分析技術聯合分析的方法越來越多地應用到生物質能源的分析過程中，也給生物質燃燒、熱解、氣化、液化過程中特性機理的研究提供了分子水平分析方法的保障。傅里葉變換紅外光譜分析技術可用于研究生物質表層成分與結構信息且不受試樣本體干擾，具有快速、無損的特點，是一種很具發展前景的分析方法。傅里葉變換紅外分析技術應用于生物質能源領域的研究還需繼續向節能、環保、低碳的方向發展，從而取得更好的經濟和社會效益。