旱冬瓜鲜叶及其凋落物的热解动力学

摘要：为了解滇中地区防火树种旱冬瓜（Alnus nepalensis）的鲜叶及其各层凋落物的热解特性，选取旱冬瓜的鲜叶、L层、F层及H层凋落物分别进行热重实验，分析了样品的引燃温度、燃尽温度、失重率、燃烧特性指数、活化能和指前因子。结果表明：旱冬瓜鲜叶、L层、F层、H层凋落物的引燃温度分别为200℃、217℃、225℃、257℃，4种样品的燃烧性能由强到弱排序为：旱冬瓜鲜叶>L层>F层>H层。

关键词：旱冬瓜；鲜叶及其凋落物；热解动力学；燃烧特性指数；活化能；指前因子

中图分类号：S792.14；S713

文献标识码：A

文章编号：1671-3168（2016）01-0031-03

Abstract： In order to understand the thermal decomposition characteristics of fresh leaves and litter of Alnus nepalensis， fire resistant tree species in Yunnan central area. Alnus nepalensis fresh leaves， litters of L， F and H layers are selected for TG experiments. Through the analysis of ignition temperature and burn out temperature， weight loss rate and combustion characteristic index， activation energy and pre exponential factor， results show that the ignition temperature of Alnus nepalensis fresh leaves and L， F， H litter layers are 200℃， 217℃， 225℃， 257℃ respectively. The combustion capability of the four samples are followed the order from strong to weak as Alnus nepalensis fresh leaf， L layer， F layer， H layer.

Key words： Alnus nepalensis； fresh leaves and litter； thermal decomposition； combustion characteristic index； activation energy； pre-exponential factor

旱冬瓜（Alnus nepalensis）又名蒙自桤木、尼泊尔桤木，桦木科（Betulacear）桤

木属（Alnus）落叶乔木，广泛分布于云南、四川西南部、东南部、贵州和广西西部。旱冬瓜的根具有很强的固氮作用，叶子是优良的有机肥料，可以改良林地土壤，为土壤增肥。旱冬瓜林下的地表凋落物载量小且含水率高，陈玉新[1]、王革[2]、李眉慧[3]认为，旱冬瓜是极好的防火树种，并且有些地区已经将旱冬瓜作为防火隔离带。旱冬瓜适应能力强、耐干旱贫瘠的特性使其成为西南林区营造生态林和作为生物防火树种的主要对象。国内外有很多学者将旱冬瓜作为研究对象，在旱冬瓜的树枝方面，李世友[4]研究了旱冬瓜的活枝，通过不同直径的枝条来判断燃烧性的差异；在旱冬瓜的树皮方面，罗方琼[5]、李世友[6]通过对旱冬瓜树皮结构特征进行分析，得出滇中地区云南油杉、云南松、华山松、直杆蓝桉、旱冬瓜5个主要造林树种树皮的阻燃性能最强的是旱冬瓜树皮；在防火树种的选择方面，李世友[7]、田晓瑞[8]、刘爱荣[9]都认为旱冬瓜具有较强的抗火能力，属于难燃植物；Mehta，J.S.[10]认为，旱冬瓜不仅可以为森林防火做出贡献，还可以防止土地退化。以上研究是基于枝条和树皮，对树叶和其林下凋落物的研究很少。旱冬瓜干旱季节落叶，干燥易燃，采用热重分析的方法对旱冬瓜鲜叶和上层新鲜凋落物层（L层）、中层腐叶层（F层）、下层腐殖土层（H层）进行研究，可以为认识旱冬瓜叶的燃烧性能奠定基础。

1材料与方法

1.1样品采集与制备

采样时间为2015年11月，采样地点位于昆明东郊的云南省森林自然中心。取胸径20cm多株树上的叶子，将凋落物分L、F、H层取样，把样品分类标记，带回实验室。

将已分类的样品烘干、磨碎、过筛后备用。

1.2实验方法

采用Mettler-Toledo公司生产的TGA/SDTA851e型热重/差热同步分析仪进行热重实验。保护性气体氮气的流量为20 ml/min，升温速率为20 K/min，从298K升到1073K，得出不同样品的热重曲线图。

2结果与分析

2.14种样品热重曲线分析

4种样品的热重曲线如图1所示。TG曲线反应了样品质量与温度之间的关系。

林 业 调 查 规 划第41卷第1期苏文静等：旱冬瓜鲜叶及其凋落物的热解动力学

从图1中可以看出，4种样品的失重区间主要为473～723K，随着温度的升高，样品的质量逐渐减少，该阶段主要是纤维素的分解，是热分解的主要阶段，到973K左右，质量基本不变，只剩下残余的炭。旱冬瓜鲜叶、L层、F层、H层的质量残余量分别为：26.16%、26.98%、34.77%、48.07%。由于不同物质的成分不同，因此峰值和失重温度会有所差别。4种样品都经历了失水阶段、快速热解阶段和炭化阶段。旱冬瓜鲜叶、L层、F层和H层在失水阶段的失重率为：9.05%、12.37%、13.35%、9.04%，在热分解阶段的失重率分别为：85.25%、82.19%、81.13%、78.11%。利用Origin 9.0数据软件进行TG曲线上的数据处理，通过运用切线法得出样品的着火温度和燃尽温度。旱冬瓜鲜叶、L层、F层物和H层的着火温度分别是200℃、217℃、225℃、257℃，燃尽温度分别是441℃、465℃、473℃、497℃。从计算数据中看，旱冬瓜鲜叶是最容易燃烧的，H层是最不容易燃烧的，旱冬瓜鲜叶中含有丰富的纤维素和半纤维素，生物性状良好，而H层中含有较多的杂质（如土等）不容易分解，因而燃烧温度会向后推迟。

2.2燃烧特性指数分析

参照文献[11]中的燃烧特性指数公式，根据热解数据，计算4种样品的燃烧特性指数参数。即：

P=[（dmdt）max（dmdt）mean]T2eTh（1）

式中，P为燃烧特性指数；（dmdt）max是最大燃烧速率，单位是mg/min；（dmdt）mean是平均燃烧速率，单位是mg/min，Te是着火温度，单位是℃；Th是燃尽温度，单位是℃。燃烧特性指数越大，越容易燃烧，燃烧特性越好。旱冬瓜鲜叶、L层、F层和H层的燃烧特性指数分别是9.806×10-8、6.390×10-8、4.318×10-8、4.083×10-8。从燃烧特性指数来看，H层的数值最小，是最不容易燃烧的且燃烧特性差，旱冬瓜鲜叶的数值最大，最容易燃烧，燃烧特性好，这与着火温度和燃尽温度相对应。

2.3热解过程的动力学分析

从表1中可以看出，4类样品的热分解动力学模型符合一级动力学模型，假设的1级反应是可行的。4类生物质的化学成分有所不同，因此，动力学参数有差别。活化能从大到小排序依次为：H层、F层、L层、旱冬瓜鲜叶，指前因子的排序和活化能一样。H层的活化能高，说明化学性质稳定，热稳定性好，不易燃烧，旱冬瓜鲜叶的活化能最低，说明热稳定性不好，容易燃烧。活化能与着火温度、燃尽温度、燃烧特性指数的顺序相对应，将4种样品的燃烧性从强到弱进行排序，依次为：旱冬瓜鲜叶、L层、F层、H层。

3结论

运用热重分析法对滇中地区主要造林树种旱冬瓜的鲜叶及其L、F、H层凋落物热解，得出以下结论：4种样品的热分解反应的区间大致为473～723K，主要是纤维素的热解；723～1 073K范围内的曲线平稳，主要是剩余的无法热解的炭和灰分等，每种样品都经过了失水、热分解、成炭3个阶段。假设的一级反应热解模型可行，由热解动力学模型求出了4种样品的活化能、指前因子、着火温度、燃尽温度、失重率及其燃烧特性指数，综合6个指标来看，4种样品的燃烧性能由强到弱排序为：旱冬瓜鲜叶>L层>F层>H层。

参考文献：

[1]陈玉新.通海县生物防火隔离带营建及其防火性能研究[J].林业调查规划，2012，37（2）：62-64.

[2]王革，柯玉鹏.昆明地区防火林带设计树种选择[J].林业调查规划，2006，31（1）：109-112.

[3]李眉慧，李世友，王秋华.云南森林自然中心生物防火阻隔带设计[J].林业调查规划，2006，31（A02）：47-50.

[4]李世友，管晓媛，昌尼娜，等.旱冬瓜不同直径活枝燃烧性的比较[J].中南林业科技大学学报，2011，31（12）：61-64.

[5]罗方琼，马瑞杰，张尚书，等.树皮结构特征与耐火性的关系研究[J].林业调查规划，2009，34（2）：80-82.

[6]李世友，杨孝琳，李生红，等.树皮的阻燃性[J].林业科学，2009，45（3）：85-89.

[7]李世友，马长乐，罗文彪，等.昆明地区35种森林木本植物的燃烧性排序与分类[J].生态学杂志，2008，27（6）：867-873.

[8]田晓瑞，舒立福，乔启宇，等.南方林区防火树种的筛选研究[J].北京林业大学学报，2001，23（5）：43-47.

[9]刘爱荣，吴德友，李立俊.旱冬瓜天然林阻火功能的初步研究[J].森林防火，1996（1）：10-12，34.

[10]MEHTA J S.Forest Fires and Land Degradation in Uttarakhand[J].Land Utilization in the Central Himalaya： Problems and Management Options，1996（8）：125.

[11]张全国，马孝琴.金属化合物对煤矸石燃烧动力学特性的影响[J].环境科学学报，1999，19（1）：72-76.