热化学协同策略提升桃籽资源化价值：酯交换与热解技术的集成创新

为解决油料种子资源利用率低及碳排放问题，研究人员通过整合酯交换(transesterification)和热解(pyrolysis)技术，开发了桃籽(PS)全组分高值化路径。研究表明：CO2辅助催化热解使合成气(syngas)产率提升39%，热诱导转酯化反应实现98.34 wt%生物柴油(BD)收率，生物炭(DPSB)作为催化剂显著降低反应温度。该研究为油料生物质碳循环提供了创新性解决方案。

　　

研究背景

全球交通运输业21%的CO₂排放（8.24亿吨/年）迫使人们寻找化石燃料替代品。虽然生物柴油(BD)因其碳中性特性备受关注，但传统工艺仅利用油料种子20-40 wt%的脂质组分，剩余脱脂残渣(DPS)常被废弃。更棘手的是，生物乙醇生产存在微生物代谢导致的碳损失，而热解油因含氮氧化合物难以直接利用。如何实现油料种子全组分高效转化，成为突破碳中和关键技术瓶颈的关键。

技术方法

研究团队采用多技术联用策略：1) 索氏提取法从桃籽(PS)获取56.3 wt%桃籽油(PSO)；2) 热重分析(TGA)解析PS和DPS热解特性；3) CO₂/N₂气氛下对比热解实验，镍基催化剂(Ni/Al₂O₃)强化气化；4) 热诱导转酯化(≤1分钟)与传统碱催化工艺对比；5) 脱脂桃籽生物炭(DPSB)表征(BET、ICP-OES、SEM/EDS)及催化性能测试。

研究结果

3.1 桃籽与脱脂残渣特性

• 元素分析显示DPS氮含量(10.46 wt%)显著高于PS(4.84 wt%)，表明蛋白质富集

• TGA显示PS热解峰410°C（脂质主导），DPS在320°C（蛋白质/碳水化合物）

• CO₂在≥760°C触发布杜阿尔反应(Boudouard reaction)，固体碳转化率提升5.4%

3.2 CO₂辅助热解增效机制

• 单步热解中CO₂使CO产量增加0.8 mmol（较N₂），H₂抑制0.1 mmol，符合逆水煤气变换(rWGS)反应

• 催化热解使CO增量达40.0 mmol，消耗20 mmol CO₂，合成气总产率提升39%

• 热解油中N/O化合物减少11.4%，苯甲酰胺(benzamide)等有害物质显著降低

3.4 热诱导转酯化技术突破

• 传统碱催化收率87.10 wt%，热诱导法(380°C)达98.15 wt%

• DPSB催化使反应起始温度降低80°C，340°C即可获得98.34 wt%收率

• GC-MS证实产物以油酸甲酯(C18:1)、亚油酸甲酯(C18:2)为主，无热裂解副产物

3.5 生物炭催化机理

• DPSB含Ca(12.4 mg/g)、K(9.8 mg/g)、Mg(3.2 mg/g)等碱性金属

• 介孔结构(9.7 nm)提供反应空间，碱性位点加速酯交换动力学

结论与意义

该研究通过CO₂辅助热解与热诱导转酯化的协同创新，实现了桃籽全组分资源化：1) 催化热解将60-80 wt%的DPS转化为高值合成气；2) 自产生物炭作为催化剂突破传统转酯化温度限制；3) 全球桃籽资源可年产134万吨BD，减排CO₂约300万吨。发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》的这项工作，为"油料提取-残渣气化-废炭回用"的闭环工艺提供了范式，其CO₂循环强化策略对实现负碳排放具有重要启示。