HZSM-5對藻類及其模型物水熱液化形成生物油路徑的影響

于小凡， 馮麗娟， 翟文艷， 李秋鈺， 李先國， 姚 碩

(中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100)

化石能源的枯竭和環境污染問題的加劇，使開發包括生物質能源在內的各種可再生能源顯得尤為重要。藻類生物生長快，環境要求低，可降低溫室效應，是一種可再生、環境友好的生物質能源材料[1-2]。藻類的主要成分為多糖、蛋白質和脂類化合物，其含水質量分數一般能夠占到藻體的80%以上。地球上的藻種類繁多，根據形態可分為大型藻和微藻，不同藻類生物的組成差別很大。滸苔作為典型的大型藻，其多糖的質量分數為64%左右，含量較高；而小球藻則是被廣泛研究的高蛋白質(質量分數為55%左右)和高脂類化合物(質量分數為25%左右)的微藻[3]。近年來，藻類作為第三代生物質能在水熱液化制取生物油方面受到了越來越廣泛的關注，國內外研究者對其進行了較深入的研究，在最佳液化反應條件的確立和生物油品質的分析方面取得了眾多的成果[4-6]。滸苔和小球藻水熱液化的最佳溫度分別是280 ℃和300 ℃，多糖、蛋白質和脂類化合物水熱液化的最佳溫度分別是200 ℃、300 ℃和280 ℃[7]。

藻類生物制備生物油的主要方法有酯交換轉化法、生物化學轉化法和熱化學法等[8]。酯交換轉化法是制取生物質燃料比較傳統的方法，但該方法對原料中脂類化合物的含量要求比較高；生物化學轉化法是一種利用微生物將藻類轉化為生物燃料的技術，適合水分含量高的原料；而熱化學法是目前研究最廣泛的技術，其中的熱解法和熱液化法是獲取液態燃料的主要途徑[7]。熱化學法中的水熱液化法(HTL)具有許多優越性：(1)無需干燥藻類，節約原料處理成本[9-10]；(2)充分利用藻類的各組分；(3)生產的生物油具有比熱解油更高的熱含量和更好的穩定性[11-12]；(4)水熱液化法將具有不同生物化學組成的藻類分解成水相、重油和輕油等產品僅需比熱解法更低的活化能[13-16]。

亞臨界的水是一種優良的溶劑，對蛋白質和多糖等生物大分子具有較好的溶解性，可以促進酸催化反應的進行[17]。為了提高生物油的產量和質量，水熱液化中的水被加熱、加壓到亞臨界狀態。當溫度從25 ℃升至350 ℃時，水的離子積常數(Kw)從10-14增加到10-12[18]。由此產生的高濃度的H+和OH-可以促進酸或堿催化的水熱液化過程[19]。

引入催化劑是生物油制備過程提高產量、改善質量的一種有效方法[20]。Yang等[21]在藻類及模型物的水熱液化過程中分別加入硫酸和乙酸作為催化劑，生物油產率均得到提高。與均相催化劑相比，非均相催化劑具有易分離、環境友好、可循環利用的優點[22-23]。非均相催化劑如分子篩、稀有金屬、過渡金屬氧化物，及負載型金屬催化劑已被廣泛應用于藻類的催化液化中[24]。其中HZSM-5因易于制備、水熱穩定性好、催化活性強而備受關注。

除溫度、催化劑外，藻類的生物化學組成也是影響生物油產量和質量的重要因素。趙永年[7]以不同種類的藻和模型物為原料進行水熱液化實驗，發現固體酸催化劑SO42-/ZrO2能顯著提高生物油產率并改變生物油組成。Gai等[25]研究了無催化劑時2種低脂微藻生物油形成路徑，但鮮有研究能夠深入了解催化劑對藻類及其主成分的水熱液化過程中生物油形成路徑的影響。筆者構建實驗藻類主要成分(包括多糖、蛋白質及脂類化合物)模型，在滸苔和小球藻及其主要成分的水熱液化反應中引入HZSM-5催化劑，考察催化劑用量對藻類水熱液化產物產率、生物油的組成及其熱值(HHV)的影響，并進一步探究HZSM-5催化劑對藻類生物油形成路徑的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與原料

ZSM-5(n(Si)/n(Al)=38)，工業級，天津市元立化工有限公司產品；硝酸銨(NH4NO3)，分析純，天津市巴斯夫化工有限公司產品；二氯甲烷、甘油、油酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司產品；氮氣(體積分數99.5%)，青島瑞豐氣體有限公司提供。多糖、蛋白質及小球藻干粉購買于陜西帕尼爾生物科技有限公司；脂類化合物模型物由甘油和油酸混合物替代。滸苔采集于青島第二海水浴場，洗滌后冷凍備用。

1.2 HZSM-5的制備

采用離子交換法制備HZSM-5催化劑。稱取質量為5.0 g的ZSM-5,與1 mol/L的NH4NO3溶液按料液的質量與體積比為1∶20混勻，在80 ℃下，攪拌交換2 h，抽濾，用蒸餾水洗滌固體產物至中性。重復以上步驟2次，將所得樣品在100 ℃烘箱中干燥24 h，于 550 ℃馬弗爐中焙燒6 h，取出干燥保存待用。

1.3 水熱液化過程

藻類及其主成分模型物的水熱液化過程在高壓反應釜中進行，以8 ℃/min的加熱速率升溫至各原料的最佳反應溫度，固定液化時間為15 min。反應結束后冷卻至室溫，取出產物、抽濾、靜置分層、分離油相和水相。油相在35 ℃下減壓蒸餾除去溶劑得到生物油(Bio-oil)；水相在60 ℃下蒸發除去水分得到水溶性產物(WSOs)。將濾渣于110 ℃下烘干至恒重[4]。根據式(1)、(2)、(3)和(4)分別計算各產物的產率。

yb=mb/mf×100%

(1)

yr=mr/mf×100%

(2)

yw=mw/mf×100%

(3)

yg=100%-yb-yr-yw

(4)

式(1)～(4)中，yb、yr、yw和yg分別表示生物油、殘渣、水溶性物質和氣體的產率，%；mb、mr、mw和mf分別表示生物油、殘渣、水溶性產物和原料的質量，g。

1.4 生物油的分析

利用南京多助科技發展有限公司ZR-3R燃燒熱實驗裝置，測定所得生物油的熱值，儀器溫差分辨率為0.001 ℃，溫度分辨率為0.01 ℃。利用美國Agilent公司7890A/5975C型氣相色譜-質譜儀(GC-MS)對生物油的組成進行分析。色譜分析條件：色譜柱DB-5，30 m × 250 μm × 0.25 μm。以甲醇為溶劑，高純氦氣為載氣，載氣流量為1.5 mL/min；分流進樣，分流流量為20 mL/min；進樣口溫度280 ℃，色譜柱初溫40 ℃，保持 3 min，10 ℃/min升溫至300 ℃，保持29 min。根據美國國家標準與技術研究局(NIST)質譜庫確認化合物結構。

2 結果與討論

2.1 主成分模型物的水熱液化

在各物質最佳反應溫度下，HZSM-5用量對3種藻類主成分模型物水熱液化產物產率的影響如圖1 所示。由圖1可知，多糖水熱液化主要形成水相和氣相產物，生物油產率只有5%左右。催化劑的引入對生物油的產率無明顯影響，但可以使生物油的熱值略有提高。蛋白質的水熱液化生物油的產率明顯高于多糖，但加入HZSM-5后生物油的產率和熱值都不同程度的下降。脂類化合物的水熱液化產物主要是生物油，水相與氣相產物及殘渣總和小于15%。生物油產率隨著催化劑用量的增加而升高，當HZSM-5的質量分數為9%時，脂類化合物水熱液化的生物油產率最高，達到了92.41%；其熱值也有所提高。由此可見，藻類生物水熱液化產生的生物油主要來自脂類化合物，因而脂含量高的藻液化后生物油產率高。另外，HZSM-5對藻類生物的3種主成分模型物的液化產物產率和熱值影響不同，說明了其對3種模型物的水熱液化過程影響不同。

圖1 多糖、蛋白和脂類化合物水熱液化所得產物產率和生物油熱值(HHV)隨HZSM-5用量的變化Fig.1 Product yields and HHVs of bio-oil from HTL ofpolysaccharides versus the dosage of HZSM-5(a) Proteins； (b) Lipids； (c) PolysaccharidesReaction conditions： (a) w(HZSM-5)=5%; T =200 ℃；t=15 min； (b) w(HZSM-5)=5%; T=300 ℃； t=15 min；(c) w(HZSM-5)=5%; T=280 ℃； t=15 min

2.2 主成分模型物水熱液化路徑分析

2.2.1 HZSM-5對多糖水熱液化路徑的影響

采用GC-MS分析多糖在水熱液化條件下，加入催化劑前后所得生物油的部分重要化合物的名稱及含量列于表1。由表1可知，生物油中主要含有環酮類、糠醛類、呋喃類、酚類、烴類等物質。環酮類物質可能是由非還原糖和還原糖通過脫水、異構化、環化等過程形成的[21]，包括單酮和二酮。HZSM-5的加入抑制了環酮類物質的生成。糠醛類物質在酸性條件下分解為呋喃和甲酸等小分子物質[26]。未加入催化劑前，5-羥甲基糠醛(5-HMF)所占混合物的比例為28.62%，而加入催化劑后，生物油中幾乎沒有檢測到5-HMF的存在，呋喃類物質卻大幅度上升。因此，推測添加HZSM-5促使 5-HMF 在水熱液化過程中幾乎完全降解為呋喃類物質。水熱液化過程中氧元素的脫除一般是通過脫羧或脫水實現的，加入催化劑后抑制了氧以水的形式脫除，促進了氧轉化為產物CO2，提高了生物油的H/C比和熱值。這與多糖水熱液化的水相和氣相產物產率及生物油熱值變化趨勢一致。此外，生物油中的酚類物質是由一部分糠醛或呋喃類物質在堿性或中性條件下脫水降解形成的[27]，加入酸催化劑以后，催化劑抑制了糠醛或呋喃類物質水解生成酚類物質。楊文超[28]認為葡萄糖分解可能產生羧酸類物質。由表1可知，在加入HZSM-5后多糖水熱液化得到的生物油中出現了一定量的脂肪酸，其具體的形成路徑還需進一步的探討。

2.2.2 HZSM-5對蛋白質水熱液化路徑的影響

引入HZSM-5前后蛋白質水熱液化制得生物油中的部分重要化合物的GC-MS結果列于表2中。由表2可知，生物油中酮類物質是由蛋白質水解生成的氨基酸通過分子間縮合、水解以及異構化等過程形成的，包括單酮和二酮[21]。藻類生物中的蛋白質是其水熱液化生成的高含氮生物油組分的主要貢獻者，且可能會在燃燒過程中產生NOx的排放[29]。沒有加入催化劑之前，生物油中的含氮化合物占據了較大的比重；加入催化劑之后，含氮化合物的總量下降；表明HZSM-5的加入促進了脫氮反應發生，有利于提升生物油品質。

在水熱條件下，蛋白質水解產物氨基酸主要發生兩類反應：一是脫羧反應生成胺和CO2，二是脫氨反應生成有機酸和氨氣[30]。胺類化合物減少，說明催化劑可能抑制了氨基酸的脫羧反應，使CO2的釋放減少，生物油的H/C比降低、熱值減少。加入催化劑后，生物油中出現了烴類物質，可能是氨基酸脫氨基生成了有機酸，有機酸進一步發生脫羧反應

表1 加入HZSM-5催化劑前后多糖水熱液化所得生物油的主要組成Table 1 Major compositions of bio-oils from HTL ofpolysaccharides before and after adding HZSM-5

Reaction conditions：w(HZSM-5)=5%;T=200 ℃；t=15 min

The compounds listed in this table are high in content and important for analysis of formation path.

生成烴類物質。加入催化劑后，產物中醇類和酚類物質含量增加，表明催化劑強化了氨基酸脫氨基生成有機酸的反應，有機酸進而發生還原和環化反應，生成了醇類和酚類物質。

2.2.3 HZSM-5對脂類化合物水熱液化路徑的影響

脂類化合物經水熱液化主要水解為脂肪酸和丙三醇。丙三醇存在于水相產物中；脂肪酸在水熱條件下主要發生氫化[31]或者脫氫[28]反應。有無催化劑的加入，脂肪酸都是脂類化合物水熱液化所得生物油的主要成分，占生物油的90%左右，如表3所示。由表3可知，油酸經水熱液化主要形成亞油酸(Linoleic acid)、6-十八烯酸(6-Octadecenoic acid)和軟脂酸(Palmitic acid)等3種脂肪酸及少量其他羧酸，與Yang等[21]使用液體酸催化劑進行脂類化合物水熱液化的產物相似。加入HZSM-5催化劑主要促進了亞油酸的生成，抑制了6-十八烯酸和軟脂酸的生成反應；且添加催化劑后，脂肪酸的總量降低，可能是因為脂肪酸進一步發生脫羧反應，生成了烴類物質[28]。

表2 加入HZSM-5催化劑前后蛋白質水熱液化所得生物油的主要組成Table 2 Major compositions of bio-oils from HTL of proteinsbefore and after adding HZSM-5

Reaction conditions：w(HZSM-5)=5%;T=300 ℃；t=15 min

The compounds listed in this table are high in content and important for analysis of formation path.

表3 加入HZSM-5催化劑前后脂類化合物水熱液化所得生物油的主要組成Table 3 Major compositions of bio-oils from HTL oflipids before and after adding HZSM-5

Reaction conditions：w(HZSM-5)=5%;T=280 ℃；t=15 min

The compounds listed in this table are high in content and important for analysis of formation path.

2.2.4 藻類主成分水熱液化路徑

根據上述分析，藻類主要成分多糖、蛋白質和脂類化合物的水熱液化路徑如圖2所示。HZSM-5的加入對于多糖和蛋白質水熱液化形成的生物油的成分有較大影響：促進了多糖水解產物糠醛生成呋喃的反應，及蛋白質的水解產物有機酸的脫羧和還原反應；抑制了多糖和蛋白質分別生成酮類物質的反應，部分糠醛或呋喃生成醇類物質的反應，及氨基酸的脫羧反應；改變了脂類化合物水熱液化中不同脂肪酸的比例。

2.3 滸苔和小球藻的水熱液化

圖3為催化劑HZSM-5用量對滸苔和小球藻水熱液化生物油產率及熱值的影響。由圖3可知：隨著HZSM-5用量的增加，滸苔水熱液化生物油的產率和熱值基本保持不變，與文獻[32]中報道的滸苔及低脂藻的液化結果相似；小球藻水熱液化的生物油產率先提高后保持不變，熱值先增加后下降，當HZSM-5質量分數為5%時，二者都達到最高。在催化劑的不同加入量下，小球藻水熱液化的生物油產率均高于滸苔，進一步驗證了藻類主成分對生物油貢獻率的大小依次為脂類化合物、蛋白質、多糖。且在相同條件下，脂類和蛋白質含量高的微藻生物油的熱值比低脂含量的大型藻更高。

圖2 HZSM-5存在下，藻類主成分模型物水熱液化的生物油形成路徑Fig.2 Formation pathways of bio-oils from HTL of algal model compounds in the presence of HZSM-5(a) Polysaccharide; (b) Protein; (c) LipidRed—The products promoted by HZSM-5; Green—The products inhibited by HZSM-5

圖3 HZSM-5用量對藻類水熱液化生物油產率和熱值的影響Fig.3 Effects of HZSM-5 dosage on bio-oil yields and HHVs from algae HTL(a) Enteromorpha prolifera； (b) ChlorellaReaction conditions： (a) w(HZSM-5)=5%; T=280 ℃； t=15 min； (b) w(HZSM-5)=5%; T=300 ℃；t=15 min

2.4 滸苔和小球藻水熱液化路徑分析

2.4.1 HZSM-5對滸苔水熱液化路徑的影響

在有無HZSM-5存在下，滸苔水熱液化生物油的主要組成如表4所示。由表4可知，滸苔生物油的主要成分為酮類、醇、糠醛、烴類、吡嗪類、脂肪酸類、酯類、酰胺類等。由于滸苔富含多糖，因此其液化生物油中來自糖類降解物質的比重較大，如酮類；醇可能是蛋白質水熱液化的產物；脂肪酸主要來自于脂類化合物。HZSM-5促進了非還原糖水解生成糠醛的反應[27]和脂肪酸的增加，抑制了有機酸還原生成醇的反應，導致醇減少。

與3種主成分模型物單獨水熱液化生成的生物油相比，滸苔水熱液化生成的生物油中酯類和酰胺類物質含量明顯增加，推測可能發生了主成分間的相互作用。酯類物質主要是由脂類水解的脂肪酸與蛋白質水解的醇酯化生成的[25]，HZSM-5的加入促進了該酯化反應的進行，使酯類物質含量增加。酰胺類物質除由蛋白質水熱液化形成，還可能由脂類水熱液化的脂肪酸與蛋白質水熱液化的氨基酸脫氨產物(氨氣)反應生成。HZSM-5的加入促進了滸苔水熱液化過程中的酰胺化反應[27]。

2.4.2 HZSM-5對小球藻水熱液化路徑的影響

在有無HZSM-5存在下，小球藻水熱液化生物油的主要組成如表5所示。由表5可知，小球藻液化生物油的主要成分為烴、脂肪酸類、酯類、酰胺類、醇、吡啶、吡嗪、哌嗪等。Wang等[33]對微擬球藻水熱液化制得的生物油進行檢測，認為其中的含氮化合物可分為2種主要存在形式：脂肪酰胺和含氮雜環化合物。脂肪酰胺可能是來自脂肪酸和水解氨基酸生成的氨(或胺)之間的酰胺化反應；含氮雜環化合物可能來自氨基酸間的環化反應或美拉德反應。HZSM-5的加入會抑制酰胺化反應，可能是催化劑抑制了氨基酸的脫氨反應，導致酰胺化反應的反應物之一的氨氣減少。同時，引入HZSM-5后，小球藻水熱液化生物油中的含氮雜環化合物(吡啶、吡嗪、哌嗪等)的含量都有所下降，表明HZSM-5抑制了氨基酸之間的環化反應或美拉德反應。此外，引入催化劑后，小球藻水熱液化產物中酯類物質增多，表明HZSM-5促進了水熱液化時的酯化反應。

表4 加入HZSM-5前后滸苔水熱液化所得生物油的主要組成Table 4 Major compositions of bio-oils from HTL ofEnteromorpha prolifera before and afteradding HZSM-5

Reaction conditions：w(HZSM-5)=5%;T=280 ℃；t=15 min

The compounds listed in this table are high in content and important for analysis of formation path.

表5 加入HZSM-5前后小球藻水熱液化所得生物油的主要組成Table 5 Major compositions of bio-oils from HTL ofChlorella before and after adding HZSM-5

Reaction conditions：w(HZSM-5)=5%;T=300 ℃；t=15 min

The compounds listed in this table are high in content and important for analysis of formation path.

對比2種藻類，小球藻水熱液化生成的生物油中含氮化合物明顯多于滸苔，可能的原因是小球藻中蛋白質含量遠高于滸苔。HZSM-5促進了滸苔水熱液化的酰胺化反應，卻抑制了小球藻的酰胺化反應，說明催化劑對不同藻類生物的水熱液化過程中主成分間的相互作用的影響不同[27]。綜上，引入HZSM-5可顯著影響滸苔和小球藻水熱液化生物油的組分組成和含量，影響藻類中多糖、蛋白質和脂類化合物的降解路徑和相互作用。

2.4.3 藻類水熱液化路徑

圖4為藻類的水熱液化過程中的反應路徑。由圖4可知，藻類生物的水熱液化可以分為以下步驟：(1)在低溫階段，藻類的主成分如多糖、蛋白質和脂類化合物水解形成小分子物質；(2)隨著溫度的升高，小分子物質被降解、脫水、脫羧和脫氨，分解形成酮、胺、醇等中間產物；(3)隨著溫度的進一步升高，中間產物之間發生相互反應，如美拉德反應、酰胺化反應和酯化反應等[9,25,33]，生成新的物種。

3 結 論

(1)藻類3種主成分對其水熱液化制取生物油的貢獻率由大到小為脂類化合物、蛋白質、多糖。

(2)HZSM-5對藻類生物3種主成分模型物的水熱液化過程具有不同的影響。HZSM-5的引入，明顯提高了脂類化合物水熱液化生物油的產率和熱值；降低了蛋白質水熱液化生物油的產率和熱值；但對多糖水熱液化的生物油產率和熱值幾乎無影響。

(3)HZSM-5催化劑的引入：抑制了多糖水熱液化中酮類和酚類物質的生成，促進了糠醛生成呋喃類物質的反應；促進了蛋白質水熱液化有機酸的脫羧反應和還原反應，抑制了氨基酸的分子間縮合和水解異構化反應以及氨基酸的脫羧反應；改變了脂類化合物水熱液化中各種脂肪酸的比例，促進了脂肪酸的脫羧反應。

(4)滸苔和小球藻的水熱液化產物分析表明藻類主成分間發生相互作用。引入HZSM-5可顯著影響滸苔和小球藻水熱液化生物油的組分組成和含量，影響藻類中多糖、蛋白質和脂類化合物的降解路徑和相互作用。

圖4 HZSM-5存在下藻類生物水熱液化生物油的形成路徑Fig.4 Formation pathways of bio-oils from HTL of algaein the presence of HZSM-5Red—The products promoted by HZSM-5; Green—The products inhibited by HZSM-5