生物质水热液化研究进展

水热液化技术可处理高含水率生物质且无需脱水等高耗能环节,具有良好的经济性与工业应用前景,已成为一种极具潜力的生物质能源利用方式。本文综述了生物质组分水热液化的机理,并对其应用生产进行了概述。回顾了生物质水热液化的研究历程,重点阐述纤维素、半纤维素、木质素、脂质和蛋白质等生物质的主要组分结构和水热液化反应机理,以及生物质水热液化反应器的工艺流程,明确了生物质水热液化存在的问题并对其发展方向进行展望。

苎麻水热液化生物油特性及重金属迁移的研究

如何绿色、高效、资源化处置富含重金属植物收获物是植物修复重金属污染土壤产业化发展急需解决的技术难题。以苎麻为原料,水为反应溶剂,考察了反应温度、反应时间和酸碱催化剂对苎麻水热产油及重金属迁移的影响。结果表明,275℃、30 min和5%HCOOH条件下,苎麻液化生物油产率最高为20.86%,且其热值为30.68 MJ/kg。空白组生物油有机组分主要由醇、烃、酸、酮和含N化合物类组成,HCOOH组液化生物油中烃和酯类化合物含量增加,而Na_(2)CO_(3)组的生物油中烃、醇和酸类含量减少。此外,重金属(Cd、Pb、Cu和Cr)85%以上保留在固相残渣中,而As主要转移到水相中,且生物油中重金属含量低于4%。

响应面法优化棉秆水热液化生产腐植酸的运行条件

为优化棉秆水热液化生产含腐植酸液态肥的运行条件,确定反应条件间的交互作用及其反应产物的组成,采用三因素三水平的响应面分析方法,探究了反应温度(X1,260~340℃)、反应时间(X2,30~90 min)和物料质量分数(X3,5%~10%)对水溶肥腐植酸产率的影响。回归模型方差分析表明,反应温度、反应时间以及物料质量分数均对腐植酸产率有较大影响。其中,物料质量分数是最重要的参数。腐植酸产率的最佳反应条件为:反应温度300℃,反应时间90 min,物料质量分数10%。在此条件下,腐植酸产率为4.10%,高于国家含腐植酸水溶肥标准(NY 1106—2010)中规定的腐植酸含量(不小于3%),与预测值吻合较好。GC-MS分析表明,棉秆水热液化的水溶性产物主要含有酚类及其衍生物、酮类、醛类、醇类以及有机酸化合物。

基于水热液化技术的生态厕所系统示范

【基本情况】针对农村、社区规模的厕所改造和粪污量大、处理不当等特点,基于水热液化技术的产油工艺包,构建生态厕所系统并现场示范。生态厕所系统于2019年初在北京市郊区建成,其规模可以满足约300户(每户3人)如厕需求,经过长时间运行性能的测试,表明系统可以稳定运行。系统的核心技术是真空微水冲厕所耦合水热液化技术:无下水管道铺设、集中模块化实现厕所粪污无害化、资源化利用。

云南小粒咖啡壳水热液化产物分析

以云南小粒咖啡加工过程所产生的咖啡壳废弃物为原料,通过铁催化其水热液化,对液化产物进行真空抽滤分离水相和固相。然后用乙醚萃取水相得到轻质生物油,用乙醇萃取固相得到重质生物油和固体残渣生物炭。分别对2种生物油进行气相色谱-质谱分析,鉴别出轻油产率约7%,主要含有50%以上糠醛及其衍生物、10%以上的苯酚及其衍生物,而重油产率约14%,主要含有36.19%的咖啡因、41.3%的脂肪酸等物质。残渣固体为富含含氧官能团且均匀地嵌入了纳米零价铁(nZVI)的生物炭,具有催化过硫酸盐氧化降解四环素的性能,150 min内该生物炭可以去除水中约80%的四环素。

溶剂萃取对螺旋藻水热液化生物原油储存稳定性的影响

为了研究生物原油所含不同组分对其储存稳定性的影响,该研究提出利用溶剂分步萃取法分离生物原油。采用螺旋藻为原料进行水热液化,利用极性不同的四氢呋喃、乙酸乙酯、丙酮和正己烷为萃取溶剂分离生物原油,以黏度和热值作为稳定性评价指标,利用热重分析仪、气相色谱质谱联用仪和傅立叶红外光谱仪分析生物原油的老化机理。结果表明:乙酸乙酯萃取得到的生物原油的黏度最低(316 mPa·s),流动性最好,且在储存过程中黏度变化率最小(78.6%),稳定性最好;利用溶剂可以分离生物原油中的重、轻组分和极性、非极性组分,生物原油的老化与极性大分子之间发生的酯化反应、聚合反应密切相关,而小分子非极性化合物的存在可显著降低生物原油的黏度,提高其流动性和稳定性;经储存后生物原油的热值降低了0.4%~6.2%,生物原油的极性组分、重组分和氮元素含量越多,黏度和热值的变化率越大。该研究可为生物质水热液化产物的定向调控及生物原油储存稳定性的提高提供参考。

水热液化制备5-羟甲基糠醛的碳稳定同位素分馏研究

对比了不同碳稳定同位素组成原料在水热液化制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)过程中碳稳定同位素分馏特征,研究原料的碳稳定同位素组成对5-HMF产率的影响。结果表明:木薯淀粉水热液化制备的5-HMF的最大产率为33.90%,高于玉米淀粉的29.93%,杨木纤维素(P-C)最大产率为31.00%,高于玉米秸秆纤维素(CS-C)的30.76%,竹粉和杨木的最大产率分别为13.00%和13.80%,高于玉米秸秆和玉米芯(分别为11.60%和12.53%)。在反应时间为15 min时,不同原料的反应速率如下:木薯淀粉0.301 g/(L·min)大于玉米淀粉0.128 g/(L·min),P-C为0.513 g/(L·min)大于CS-C的0.386 g/(L·min),竹粉0.133 g/(L·min)大于杨木0.124 g/(L·min),大于玉米芯0.117 g/(L·min),大于玉米秸秆0.097 g/(L·min)。δ_(^(13)C)值较小的原料(木薯淀粉、P-C、杨木、竹粉)反应过程中的δ_(^(13)C)值在反应初期的变化速率大于δ_(^(13)C)较大的原料(玉米淀粉、CS-C、玉米秸秆和与玉米芯)。水热过程中存在稳定同位素动力学效应,^(13)C同位素较富集的原料参与反应需要的能量更多,反应速率慢,5-HMF的产率低。液化过程中结构简单的原料稳定同位素分馏影响较大;液化程度越大,δ_(^(13)C)的变化程度越大。

木质纤维水热液化研究进展

水热液化是木质纤维生物质的热转化方法之一,其因以水作为溶剂被认为是环境友好型技术。本文综述了木质纤维生物质水热液化的研究进展,对木质纤维生物质的水热液化产物分析策略进行概述。分析了纤维素、半纤维素和木质素等木质纤维生物质组分的水热液化机理以及水热液化产物组成和分布。讨论了反应温度、反应时间、催化剂和助溶剂等对木质纤维水热液化的影响,重点介绍了生物油、不凝性气体和固体残渣等液化产物的表征手段。最后对未来木质纤维水热液化发展方向提出了建议。

三种木质素水热液化制备生物油实验研究

木质素是具有芳香族结构的天然可再生资源,可以通过水热液化技术将其转化为生物油。不同种类的木质素结构特点和反应活性存在差异,故本研究选取三种木质素(工业碱木质素(KL)、酶解木质素(EHL)和乙醇木质素(OL))为原料,首先对三种原料理化特性进行分析;其次考察反应条件对三种木质素水热液化生物油特性的影响。在三种木质素中,EHL、OL为愈创木基型结构。OL的C、H元素含量最高,其高位热值为23.54 MJ/kg,芳香特征更加明显,酚羟基含量相对较高。KL为紫丁香基型结构,甲氧基与酚羟基含量较少。液化实验结果显示,反应温度为300℃时,木质素生物油产率及能量回收率最高,该温度下产率OL>KL>EHL,生物油的H/C比值为1.0-1.4。三种生物油化学成分不同,OL生物油中含有9.14%的芳香烃,EHL生物油酚类物质含量达到41.34%,KL生物油中酸类含量较高。

污泥催化水热液化制备生物油的研究进展

水热液化是“双碳”背景下实现废弃生物质资源化、能源化利用的有效途径,特别是针对含水率高的污泥,可将其直接转化为生物油。然而水热液化转化效率和生物油中化合物的形成取决于水热液化工艺的各种参数,其中合适的催化剂在水热液化反应中具有非常重要的作用。均相催化剂中的碱催化剂主要作用于碳水化合物、木质素以及脂质等物质的液化反应,能够有效降低生物油中的氧含量,并能将生物油产率提高到48%左右。而酸催化剂可以促进蛋白质的水解以及脱氨反应,将生物油中的氮元素转移到水相中,从而降低生物油中的氮元素含量,提高生物油品质。非均相催化剂则促进了脱羧反应及美拉德反应,尤其是金属负载型催化剂,双金属的协同作用及过渡金属的加氢作用,将生物油产率最高提高至53.12%(Ni/Mo催化剂)。今后对各类催化剂的具体作用机理仍需进一步明确,以期开发出高性能、稳定性好、高选择性且成本适宜的催化剂,在提高生物油产率的同时改善生物油品质。

木质纤维素生物质水热液化的研究进展

对木质纤维素生物质的模型化合物(纤维素、半纤维素和木质素)的水热液化机理进行了剖析。纤维素和半纤维素降解路径主要是水解成单糖并进一步生成酸类、醛类、酮类等。木质素结构较复杂,液化产物中含有大量苯系化合物,具体木质纤维素生物质的水热液化反应更为复杂,不同的木质纤维素生物质原料水热液化产生的生物油含量不同;分析了原料种类、催化剂、反应温度、反应压力、对水热液化过程以及产品组成和收率的影响;对生物质水热液化制备生物油的研究进行了展望,认为发展木质纤维素生物质水热条件下降解的数学模型,开发新型反应器、研制催化剂,是今后生物质水热液化工程实验的发展方向。

生物质水热液化机理研究进展

介绍了生物质水热液化的机理及国内外最新研究进展。在对聚合单体如葡萄糖、木糖和氨基酸等的水热液化机理阐述分析的基础上,分析纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等高分子聚合物的水热液化机理,最后介绍生物质中含量相对较少却很重要的油脂及其衍生物在水热条件下的反应机理。

超(亚)临界水热液化降解木质素为酚类化学品的研究进展

木质素是一种自然界唯一能提供再生芳基化合物的天然可再生资源。水热液化技术是一种环境友好、可持续发展的高新技术,不仅能将木质素转化为生物燃料,也可将木质素转化为酚类化合物等高附加值化学品。文中阐述了超(亚)临界水热液化降解木质素为酚类化学品的最新进展,主要介绍了木质素的结构、超(亚)临界水的性质及水热液化的优点,并分析了水热液化木质素的影响因素及反应机理。最后对超(亚)临界水热液化降解木质素为酚类化学品的前景进行了展望。

微藻水热液化生物油化学性质与表征方法综述

微藻水热液化生物油由于性质较差,不能直接作为车载燃料使用,与现代石油炼制工艺结合是一种新的应用途径。综述了微藻生物油的化学性质,包括化学组成、官能团组成与杂原子化合物组成等信息,比较分析了GC-MS、FTIR、NMR和FT-ICR MS等表征方法的异同,简要回顾了微藻水热液化反应机理和精制方法。重点指出微藻水热液化生物油中含氧、含氮化合物含量较高,并具有较高的芳香度和不饱和度,催化加氢精制能够有效脱除杂原子,并增加烷烃含量。微藻基生物燃料的发展,不仅需要精制工艺的提升,也有赖于表征方法的进步。

源头改性对玉米秸秆水热液化制备生物油的影响

采用稀酸改性和发酵改性对新鲜玉米秸秆进行处理,并利用间歇式高温高压反应釜进行水热液化制备生物油。分析稀酸改性处理和发酵改性处理对玉米秸秆微观形貌和官能团及生物油液化产率和化学成分的影响。结果表明:稀酸改性处理和发酵改性处理均能破坏玉米秸秆木质纤维素的结构,但对官能团的种类影响较小。改性处理有利于生物油产率和生物质转化率的提高,其中发酵改性处理的效果更显著,生物油产率和生物质转化率分别提高到39.95%和86.61%,生物油化学成分相对含量大于4%的化合物有6种,相对含量总和高达54.84%。

市政污泥与菌糠共水热液化制生物油的研究

以城市污水处理厂产生的脱水污泥与菌糠为原料进行共水热液化实验,考察菌糠成分对共液化所得生物油产率及性质的影响。结果表明,污泥单独水热液化的生物油产率较低,而加入菌糠可明显提高生物油产率,从脱水污泥的8.26%提高到14.11%(污泥与草菇菌糠共液化),说明污泥与菌糠共水热液化存在协同效应,且蛋白质和脂肪含量对共液化反应生物油产率影响较大。此外,共液化后生物油中酚类物质质量分数有所增加,而部分酸类、酯类和酰胺类物质质量分数略有下降。气相产物分析结果表明,共液化对CH4和H2体积分数影响较小,而对CO体积分数的影响相对较大。

肉质废物水热液化制备液体燃料

开展了肉质废物水热液化制备液体燃料的研究。选用病死猪肉为水热液化实验代表材料,考察了得到的液体燃料和残余固体产率随温度和压力的变化规律,测定了液体燃料的热值、黏度、闪点和冷滤点等燃料性质以及液体燃料的元素成分,分析了液体燃料的部分化学成分。在温度为250℃,压力为4.0 MPa条件下水热液化获得的液体燃料的热值为39.31 MJ·kg-1,黏度(20℃)为20.5 mPa·s,闪点为70℃,冷滤点为8℃,其化学成分较复杂,包含较多的芳香烃,还含有酮类、酯类、醚类、羧酸和呋喃等各种化合物。研究结果表明,该液体燃料可用于锅炉、工业窑炉的燃烧供热,进一步精炼后有望用于机动车辆。

微藻水热液化制取生物油的研究进展

微藻生产成本低,酯类和甘油含量较高,是制备液体燃料的理想原料。水热液化由于可直接处理湿藻并在适当的温度和压力下将其转化为高品质的石油替代产品而引起了广泛关注。本文探讨了微藻三组分,即蛋白质、脂质和碳水化合物的水热降解途径,并总结了目前微藻水热液化过程的主要影响因素,包括温度、停留时间、溶剂以及催化剂等反应条件或参数对生物油的影响。指出为提高微藻生物油的经济性,应进一步优化反应条件,降低催化剂成本,加强微藻水热定向液化技术的研究,富集液体产品中高附加值成分,实现高附加值化学品的综合利用,尽快实现微藻生物油的应用。

藻类生物质水热液化制备生物油的研究进展

利用藻类生物质获得的燃料被视为第3代生物燃料,水热液化制备生物油为其能源化高效利用提供了一条可行途径。介绍了藻类生物质水热液化制备生物油的国内外研究进展,分析总结了藻类生物质中三组分(蛋白质、脂质、糖类)模型化合物的水热液化特性;探讨了反应温度及时间、反应介质及料/液比、催化剂种类及用量对藻类生物油产率和品质的影响;进一步对比分析了藻类生物油与木质纤维类生物油的组成特性。与木质纤维素类生物油相比,藻类生物油具有氧含量低、热值高等优势,但氮含量高是影响藻类生物油品质的重要因素。

城市污泥水热液化过程及产物特征

以城市污泥为原料,考察反应温度对城市污泥水热液化过程及液化产物特征的影响。结果表明:在370℃时生物粗油产率和沥青烯产率分别达到最大值26.82%和27.73%,水回收率及体积减量度也分别达到最大值94.81%和80.16%,说明城市污泥经水热液化处理后能取得良好的减量化效果;生物粗油主要含有脂肪酸类、胺类和脂肪烃类,且脂肪酸类碳链长度主要集中在C16~C18;水相有机质则主要由羧酸类、酯类、胺类和酚类组成;液体燃料热值回收率在53.23%~98.20%之间,说明水热液化处理在城市污泥的资源化利用方面具有良好的前景。