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A reaction–diffusion coupled kinetic model for hydrothermal acid pretreatment of wheat straw

稻草 热液循环 扩散 动能 化学 化学工程 制浆造纸工业 无机化学 热力学 工程类 物理 量子力学
作者
Ao Xia,Zhichao Deng,Taojie Qin,Xianqing Zhu,Yun Huang,Xun Zhu,Qiang Liao
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:486: 150198-150198
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.150198
摘要

Hydrothermal acid pretreatment is a promising method to overcome the recalcitrance of lignocellulosic biomass for subsequent efficient enzymatic hydrolysis and biofuel production. However, little is known about heterogeneous catalysis reactions involving the proton diffusion in the pore of lignocellulosic biomass coupled with the hydrolysis of hemicellulose and cellulose catalyzed by proton. In this study, a reaction–diffusion coupled kinetic model for hydrothermal acid pretreatment of wheat straw was developed based on the visualization of particle geometry and pore features. The increase rate of average proton concentration in the pores is higher at a higher temperature or a smaller particle size. A mathematical model was successfully developed to describe the time courses of average proton concentration dictated by initial acid concentration and an unsteady diffusion fitting parameter. The kinetic parameters of each reaction step for hydrothermal acid pretreatment of wheat straw were obtained by fitting experimental data. The activation energies for the hydrolysis of slow-hydrolyzing cellulose, fast-hydrolyzing cellulose, and hemicellulose were determined of 937.8 kJ·mol−1, 90.7 kJ·mol−1, and 39.8 kJ·mol−1, respectively, indicating the temperature dependence of slow-hydrolyzing cellulose with a high crystalline index is strongest. The prediction accuracy of this model can be further improved at higher stirring speeds and initial acid concentrations. Additionally, the model demonstrates high prediction accuracy across three different particle sizes. Generally, this model can gratifyingly correlate data of formation and degradation of monosaccharides and furfural in the hydrothermal acid pretreatment of wheat straw with fair accuracy.
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