温度调控下微藻与工业废水共液化过程中产物分布与品质的协同优化机制

本研究针对工业废水处理与生物能源生产的双重需求，创新性地采用水热液化(HTL)技术处理微藻-石油工业废水体系。通过120-240°C温度梯度实验，揭示了温度对水解/热解/缩聚反应的调控规律，发现150-180°C最利于生物油生产(C6-C12烷烃占比最高)，240°C则促进功能碳材料合成(石墨化氮达38.19%)，为废水能源化提供了温度控制策略。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，开发新型可再生能源成为全球迫切需求。微藻因其生长速度快、CO₂固定效率高等优势，被视为第三代生物质能源的理想原料。然而传统生物燃料生产技术面临能耗高、原料预处理复杂等瓶颈，特别是如何处理高含水量的微藻 biomass 成为关键难题。与此同时，石油工业废水含有大量有机污染物和无机盐，常规处理方法难以实现资源化利用。水热液化(HTL, Hydrothermal Liquefaction)技术因其可直接处理湿生物质的特点，为同时解决这两个问题提供了新思路——但温度参数如何影响微藻-废水共液化系统的产物分布，仍是亟待阐明的科学问题。

江西省工业水污染控制重点实验室(Key Laboratory of Industrial Water Pollution Control of Jiangxi Province)的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表的最新研究中，通过系统的温度梯度实验(120-240°C)，揭示了HTL温度对微藻-石油工业废水共液化体系中四相产物分布的调控机制。研究人员采用批次反应器结合多尺度表征技术，发现温度通过影响水解、热解和缩聚反应的动态平衡，可定向调控产物组成：液相产物始终占主导(96.07-97.48%)但随温度升高减少1.36%，而固相产率在240°C时因纤维素脱水缩合和蛋白质交联显著增加。

关键技术方法包括：(1)在氩气保护下进行HTL批次实验，保持固液比1:99；(2)采用紫外分光光度法测定水相COD、NH₄⁺-N和PO₄^3-浓度；(3)运用X射线光电子能谱(XPS)分析水热炭结构演变；(4)通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)解析生物原油组分。

Effect of HTL temperature on product yields
温度升高促使有机质向固相转化，240°C时固相产率较120°C增加687.5%。水相COD在240°C达到峰值约10,000 mg/L，源于脂质脱羧和美拉德反应(Maillard reaction)增强的有机物溶解。

Aqueous phase characteristics
NH₄⁺-N在210°C以上显著增加，与蛋白质脱氨作用相关；而PO₄^3-因无机磷沉淀保持低浓度，显示温度对N/P迁移路径的差异化调控。

Hydrochar structure evolution
XPS分析表明180°C时C-C键占比达73.31%，240°C时石墨化氮(Graphitic-N)含量升至38.19%，证实高温促进碳材料芳香化。

Bio-crude oil composition
GC-MS显示中链烷烃(C6-C12)和含氧化合物在150-180°C最丰富，而240°C时长链烷烃(C12-C20)占主导，氮化合物因氨挥发减少，为温度依赖的分子重构提供证据。

该研究创新性地提出温度分级利用策略：150-180°C最适于生物油生产，而240°C利于功能碳材料合成。这一发现不仅为工业废水-微藻共处理提供了精准的温度控制参数，更通过揭示温度对水解-热解-缩聚级联反应的调控规律，为生物质能源化技术开发了"一废多产"的新模式。特别值得注意的是，研究证实废水中的Na⁺/K⁺等无机盐能催化脱氧反应，这种"以废治废"的设计思路，兼具降低处理成本和提升产物价值的双重优势，对推动循环经济发展具有重要示范意义。