螺旋藻和互花米草共水热液化制备生物油的协同增效机理研究

发布时间：2020-08-12 21:06

【摘要】：化石燃料对世界经济发展和社会文明进步起到了至关重要的推动作用,但由于其储量有限以及环境不友好等缺点也引发了社会各界的担忧。生物燃料作为清洁、可再生替代燃料,对其大力开发有望解决化石燃料应用中不可持续和高排放等问题。在众多生物质能源转化技术中,水热液化由于无需对生物原料进行繁琐高能耗的干燥,在处理高含水量生物质时显示出明显优势,通过在亚临界水中一步转化能实现生物质全组分利用,获得较高油产率及能量回收率。本文针对广泛存在于自然界中的低脂微藻螺旋藻和我国沿海一带的入侵植物互花米草——两种高含水量的生物质,研究其掺混后的共水热液化特性,探究不同反应温度、停留时间、掺混比例下两者的协同效应,而通过开展互花米草中两种主要组成成分——纤维素和木质素分别与螺旋藻共水热液化协同特性的研究来揭示螺旋藻与互花米草共水热液化协同增效机理,以进一步提高掺混原料水热液化后的生物油产率和品质,实现螺旋藻和互花米草的高效能源化。主要研究内容和取得的创新性研究成果如下:(1)采用单因素试验结合响应曲面法分别对螺旋藻和互花米草各自的水热液化特性开展研究,螺旋藻中蛋白质含量超过70wt.%,脂质含量仅为5wt.%,是一种典型的高蛋白低脂类微藻。在反应温度为335℃、停留时间45min、3g原料以及30mL水的试验条件下获得40wt.%的最高油产率。互花米草中纤维素和半纤维素含量超过65%,木质素含量超过10 wt.%,是一种典型的木质纤维素类生物质。反应温度和停留时间对互花米草在亚临界水中的产油率影响不大,在360℃的较高温度下获得的最佳生物油产率约为15wt.%,明显低于螺旋藻的生物油产率。(2)开展螺旋藻和互花米草共水热液化特性的研究,结果显示,掺混原料在不同的反应温度和反应停留时间下都表现出了显著的协同效应,主要体现在生物油产率以及品质的变化上,在360℃、30min及掺混比例1:1时获得了最佳的生物油产率(超过了30wt.%)。掺混使生物油中包含更多的脂肪酸类物质。在340~360℃的液化温度区间内可获得较高的生物油热值以及能量回收率,掺混原料在液化反应过程中的积极协同效应改变了产物生成路径,进而提高了生物油的产率以及品质。(3)开展螺旋藻与α-纤维素共水热液化特性的研究,结果显示,螺旋藻与α-纤维素之间的协同增效使生物油产率大幅提升。在300℃、30min及掺混比例2:1时,生物油产率超过40wt.%。与螺旋藻和α-纤维素在同样条件下单独水热液化相比,协同效应超过16wt.%,几乎可达到采用催化剂带来的生物油产量提升效益。两者掺混水热液化过程中降低了碳化反应,强化了脱水、聚合、缩合、环化以及美拉德反应,导致生物油中含有大量含氮含氧杂环。同时,掺混原料生物油能量回收率高达80%。(4)开展螺旋藻与木质素共水热液化特性研究,结果显示,在反应温度340℃以上掺混原料生物油的品质有显著提升。在350℃、50min时,木质素水热液化获得了超过23wt.%的生物油产率。而掺混原料在345℃、40min及掺混比例2:1时则可获得32wt.%的产油率。掺混原料水热转化获得的生物油主要成分是脂肪酸,特别是十六烷酸含量显著增加,而含氮组分则明显减少。(5)在乙醇-水共溶剂中开展螺旋藻和互花米草共水热液化特性研究。研究结果表明,乙醇的加入强化了生物油产率。其中,对互花米草生物油产率的提升最为明显,生物油产率在340℃、30min及乙醇体积分数50vol.%时达到了42wt.%。对螺旋藻生物油产率也有较大提升,在280℃、30min及乙醇体积分数50 vol.%时,生物油产率就达到了约40wt.%。而对其掺混原料而言,乙醇的加入促进了产油率,但却在一定程度上削弱了存在于两种生物质原料之间的协同增效作用。掺混原料生物油的脂含量高达25.85wt.%,能量回收率约为85%,均优于螺旋藻、互花米草各自单独水热液化过程。基于螺旋藻和互花米草共水热液化协同特性及机理的研究可知,掺混原料在合适的操作条件下可制取更多、品质更高的生物油,从而,合理利用生物质之间存在的协同增效作用,既能更加高效的生产生物燃料,又能在一定程度上解决生物质原料因季节、地理等因素造成的供给问题,为生物质转化液体生物燃料提供多种解决方案。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6

【参考文献】