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摘要
农业秸秆厌氧发酵生产沼气、氢气潜力巨大，然而受其自身结构影响，秸秆直接厌氧发酵生物质能转化率较低，需要经过前期预处理以打破秸秆木质素的复杂结构，提高秸秆纤维素、半纤维素的利用率。冻融预处理秸秆技术操作简单、预处理效果好，但目前冻融预处理过程常用的酸碱浸泡液易造成潜在环境污染风险。该研究针对中国北方冬季气温低的特点，以水稻秸秆为原料，选取富含氨氮的厌氧发酵副产物：沼液作为浸泡液，模拟北方冬季自然平均最低气温（-20℃），基于单因素、正交试验，系统研究沼液浸泡联合冻融预处理水稻秸秆的理化特性及规律。结果表明：沼液联合冻融预处理后，水稻秸秆的木质素结构及分子间氢键发生显著破坏，O-H、C-H、C=C、C=N、N=N、N=O等基团的吸收峰均呈现减弱趋势，水稻秸秆晶型结构未改变，但结晶度显著降低，最低降至29.82%，比较原秸秆结晶度减少21.38%；沼液浸泡过程可将水稻秸秆C/N显著降至30以下，而冻融过程对沼液浸泡后秸秆C/N的影响不显著，最低降至28.19；浸泡时间与冻融循环次数对木质素去除率交互影响显著，而浸泡温度与浸泡时间、液固质量比对挥发性脂肪酸（VFAs）浓度均具有显著交互影响，沼液联合冻融预处理水稻秸秆过程木质素去除率和VFAs浓度最高达到40.06%和4 140 mg/L。研究结果可为北方冬季秸秆冻融预处理的低成本广泛应用及冻融预处理的无害化奠定理论基础。
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