亚临界水半连续水热法转化燕麦壳制备生物燃料及平台化学品的工艺优化与机理研究

本研究针对燕麦壳等农业废弃物资源化难题，通过亚临界水半连续水热工艺（HTP）在20 MPa、300-330°C条件下系统探究温度与溶剂/料比（S/F）对产物分布的影响。结果表明：300°C时发酵糖（YFS=4.98 g/100g）和平台化学品（YPC=5.48 g/100g）产率最高，而330°C时生物油（YBO=43.11 g/100g）产率显著提升。所得生物油与水热炭热值分别达26.18 MJ/kg和29.70 MJ/kg，具备优良燃料特性。该研究为农业废弃物高值化利用提供了技术支撑，对推动生物质能源可持续发展具有重要意义。

　　

随着全球能源需求预计到2040年将增长50%，开发可再生能源已成为应对能源安全和环境挑战的迫切任务。农业废弃物作为 lignocellulosic biomass（木质纤维素生物质）的重要来源，其资源化利用不仅可减少对化石燃料的依赖，还能解决废弃物处置引发的环境污染问题。燕麦作为世界主要谷物之一，2024年产量达2300万吨，其外壳占燕麦重量的35%，但目前多数被露天焚烧，导致二氧化碳排放和空气污染。如何将燕麦壳这种低能量密度、高吸水性且异质性的农业废弃物转化为高附加值产品，成为研究者关注的重点。

在此背景下，巴西圣玛丽亚联邦大学化学工程系的 Crisleine P. Draszewski、Paula G.D. Porta、Caroline M. Weise、Ederson R. Abaide 和 Fernanda de Castilhos 在《Biomass and Bioenergy》发表研究，通过 semi-continuous hydrothermal process（半连续水热工艺）实现了燕麦壳向生物燃料和平台化学品的高效转化。该研究系统探讨了温度（300°C和330°C）与溶剂/料比（S/F=37.5和60.0 g water/g OH）对产物分布的影响规律，揭示了亚临界水条件下 biomass constituent dissociation（生物质组分解离）的动态过程。

研究采用的主要技术方法包括：1）基于NREL标准方法的原料表征（水分、灰分、提取物及木质纤维素组分分析）；2）配备高压泵、预热器和背压调节阀的半连续水热反应系统（40 mL SS316反应器）；3）HPLC-UV/RI联用技术定量发酵糖（葡萄糖、木糖等）和平台化学品（糠醛、HMF、有机酸等）；4）二氯甲烷液液萃取结合旋转蒸发提取生物油；5）FTIR光谱分析生物油官能团；6）BET比表面积测定和高压氧弹量热法（HHV分析）表征水热炭燃料特性。所有实验均采用三元重复测定，并通过ANOVA和Tukey检验（p≤0.05）进行统计学分析。

3.1. 原料特性分析

燕麦壳的组分为：水分10.22%、提取物20.60%、灰分3.30%、纤维素25.95%、半纤维素20.25%和木质素9.68%。这种组成与稻壳、豆壳等常见农业残余物相似，但其较低木质素含量有利于水热转化过程中碳水化合物的解离。

3.2. 水热工艺产物收率

在300°C条件下，发酵糖（4.98 g/100g）和平台化学品（5.48 g/100g）产率最高，而330°C时生物油产率显著提升至43.11 g/100g。水热炭收率（7.94–11.24 g/100g）受温度与S/F比影响较小。统计表明除330°C+S/F-60.0条件外，其他条件下发酵糖产率无显著差异（p>0.05）。

3.3. 水热转化产物动力学分析

发酵糖生成速率在300°C+S/F-37.5条件下最高（0.49 g/100g·min），而330°C时平台化学品和生物油生成速率显著提升。乙酸和甲酸为主要平台化学品，最高产率分别达2.22 g/100g和1.54 g/100g。动力学曲线显示前5分钟为关键反应窗口。

3.4. 生物油官能团特征

FTIR分析显示生物油在1750-1650 cm^?1存在显著羰基吸收峰（C=O），证实富含醛、酮及羧酸类化合物。330°C条件下生物油的C=O/C-H峰面积比降低30%，与其较高HHV（26.18 MJ/kg）直接相关。

3.5. 生物油热值

生物油HHV介于24.19–26.18 MJ/kg之间，330°C产物热值显著高于300°C。该值与文献报道的 pyrolysis（热解）生物油（26.16–26.5 MJ/kg）相当，具备直接作为生物燃料应用的潜力。

3.6. 水热炭特性

水热炭HHV（26.07–29.70 MJ/kg）较原料（16.67 MJ/kg）提升56–78%，BET比表面积（20.73–34.54 m²/g）较原料（2.94 m²/g）提升7–11倍。330°C条件下孔隙发育最佳，表明高温有利于碳材料结构优化。

本研究通过系统分析水热工艺参数对产物分布的影响，证实300°C优先生成发酵糖和平台化学品，而330°C促进生物油形成。生物油与水热炭的燃料特性表明燕麦壳水热转化具备能源化应用的可行性。半连续操作模式通过精确控制停留时间与流速，为工艺放大提供了技术基础。该研究不仅为农业废弃物资源化提供了新路径，更通过产物特性与反应机理的关联分析，为生物质精炼工艺优化提供了理论依据。未来研究可聚焦催化剂引入、工艺能耗经济性评估及产物纯化策略，进一步推动该技术向工业化应用迈进。