水热碳化参数调控对大蒜皮生物质废弃物制备高孔隙活性炭的理化性质影响机制研究

本研究针对生物质转化过程中氧含量高导致的燃料性能差问题，采用商业NiMo/γ-Al2O3催化剂对小麦秸秆与废弃食用油共水热液化（co-HTL）所得生物原油进行加氢脱氧（HDO）优化。通过响应面法确定最佳条件（350°C/1500 psi/13 wt%催化剂），氧含量降至0.56 wt%，热值提升至46.05 MJ/kg，产物性质接近石油基燃料，为生物质能源产业化提供关键技术支撑。

　　

随着全球能源需求预计2040年增长27%，生物质作为碳中和资源成为化石燃料替代的重要选择。加拿大萨斯喀彻温省作为农业核心区，每年产生大量小麦秸秆等废弃物，传统焚烧处理加剧环境污染。水热液化（HTL）技术因其可直接处理湿生物质而备受关注，但所得生物原油存在氧含量高（10.4 wt%）、酸性强（pH 4.45）、热值低（38.04 MJ/kg）等缺陷，严重影响其作为运输燃料的适用性。

University of Saskatchewan的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，通过商业硫化NiMo/γ-Al₂O₃催化剂对小麦秸秆与废弃食用油共HTL产物进行加氢脱氧（HDO）优化。研究采用响应面法（RSM）设计实验，结合GC-MS、FTIR、NMR等技术系统评估了温度（300-350°C）、压力（1000-1500 psi）和催化剂负载量（7-14 wt%）的影响规律。

关键技术方法

1. 原料制备：本地农场小麦秸秆（粒径<1.0 mm）与餐饮废油按3:1比例进行共HTL（298°C/2000 psi）

2. 催化剂硫化：采用1-丁硫醇在343°C下活化NiMo/γ-Al₂O₃

3. 过程优化：通过中心复合设计（CCD）建立氧含量预测模型

4. 产物表征：元素分析、弹式量热、SimDist模拟蒸馏等

主要研究结果

3.1 时间影响

8小时反应使氧含量从10.4 wt%降至3.6 wt%，延长至24小时仅再降0.8 wt%。产物颜色由黑变浅绿，表明重质化合物向轻烃转化。

3.3 温度效应

温度超过325°C后脱氧效率显著提升，350°C时脂质衍生物（200-300°C脱氧）与木质素衍生物（需350-500°C）同步转化，但需平衡结焦风险。

3.4 压力影响

1200 psi后氧含量显著下降，高压促进氢饱和碳碳双键，红外谱图显示含氧官能团特征峰（1707 cm^-1羧基）消失。

3.5 催化剂负载

负载量从7%增至14%使氧含量由4%降至2.9%，但存在活性位点饱和效应，BET比表面积162.7 m²/g的催化剂表现出最优分散性。

3.8 产物表征

GC-MS显示升级油中十七烷（50.7%）和十八烷（21%）成为主成分，FTIR证实羧基峰（1707 cm^-1）消失。¹H NMR中2.2-2.4 ppm处α-亚甲基峰消失证实脂肪酸转化为烷烃。SimDist分析表明39.5%组分属柴油馏分（300-343°C）。

结论与意义

该研究通过多参数协同优化，使生物原油氧含量降低94.3%，热值提升21%，粘度从46 mPa·s降至4.8 mPa·s，pH改善至中性（7.66）。不仅证实了农业废弃物与废油共处理的协同效应，更建立了可放大的HDO工艺模型，为加拿大实现《巴黎协定》减排目标提供了切实可行的技术路径。值得注意的是，优化后的生物原油密度（758.67 kg/m³）已优于传统柴油（840 kg/m³），但其20%真空瓦斯油（VGO）组分仍需进一步裂解提质，这为后续研究指明了方向。