污水污泥热解油中温度依赖性酯类形成的机制研究

《ACS ES&T Engineering》：Mechanistic Insights into Temperature-Dependent Ester Formation in Sewage Sludge Pyrolysis Oil

　　

摘要

尽管通过热解将污水污泥中的含碳成分转化为高附加值的酯类具有很大的资源回收潜力，但由于复杂的温度依赖性转化过程以及传统分析技术有限的分子分辨率，难以明确其机理并实现选择性调控。本研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）、质量距离（PMD）网络分析、可解释机器学习以及密度泛函理论（DFT）计算相结合的整合方法，阐明了污泥热解过程中有机氧物种的转化网络，进而提出了控制酯类富集的级联反应路径。酯类、不饱和酸、饱和酸以及肽/酰胺占总有机氧物种的95.7%以上。在300–400°C时酯类含量下降，而在400–500°C时又重新增加，这一现象与水解-酯化之间的转化过程一致，表明存在一个高度活跃的反应温度区间。在该温度区间内，肽/酰胺 ? 酸 ? 酯是主要的转化路径，由此可推断出肽/酰胺 → 不饱和酸 → 饱和酸 → 酯的级联转化路径。与传统污泥处理方法相比，该工艺还能为每吨污泥带来164.6–474.6元人民币的额外收益，同时具备每吨776.7公斤CO₂e的碳减排潜力。这些研究结果为通过工程手段优化热解系统、实现有机固体废物中酯类的选择性生产提供了分子层面的依据。