HZSM-5对藻类及其模型物水热液化形成生物油路径的影响

于小凡， 冯丽娟， 翟文艳， 李秋钰， 李先国， 姚 硕

(中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100)

化石能源的枯竭和环境污染问题的加剧，使开发包括生物质能源在内的各种可再生能源显得尤为重要。藻类生物生长快，环境要求低，可降低温室效应，是一种可再生、环境友好的生物质能源材料[1-2]。藻类的主要成分为多糖、蛋白质和脂类化合物，其含水质量分数一般能够占到藻体的80%以上。地球上的藻种类繁多，根据形态可分为大型藻和微藻，不同藻类生物的组成差别很大。浒苔作为典型的大型藻，其多糖的质量分数为64%左右，含量较高；而小球藻则是被广泛研究的高蛋白质(质量分数为55%左右)和高脂类化合物(质量分数为25%左右)的微藻[3]。近年来，藻类作为第三代生物质能在水热液化制取生物油方面受到了越来越广泛的关注，国内外研究者对其进行了较深入的研究，在最佳液化反应条件的确立和生物油品质的分析方面取得了众多的成果[4-6]。浒苔和小球藻水热液化的最佳温度分别是280 ℃和300 ℃，多糖、蛋白质和脂类化合物水热液化的最佳温度分别是200 ℃、300 ℃和280 ℃[7]。

藻类生物制备生物油的主要方法有酯交换转化法、生物化学转化法和热化学法等[8]。酯交换转化法是制取生物质燃料比较传统的方法，但该方法对原料中脂类化合物的含量要求比较高；生物化学转化法是一种利用微生物将藻类转化为生物燃料的技术，适合水分含量高的原料；而热化学法是目前研究最广泛的技术，其中的热解法和热液化法是获取液态燃料的主要途径[7]。热化学法中的水热液化法(HTL)具有许多优越性：(1)无需干燥藻类，节约原料处理成本[9-10]；(2)充分利用藻类的各组分；(3)生产的生物油具有比热解油更高的热含量和更好的稳定性[11-12]；(4)水热液化法将具有不同生物化学组成的藻类分解成水相、重油和轻油等产品仅需比热解法更低的活化能[13-16]。

亚临界的水是一种优良的溶剂，对蛋白质和多糖等生物大分子具有较好的溶解性，可以促进酸催化反应的进行[17]。为了提高生物油的产量和质量，水热液化中的水被加热、加压到亚临界状态。当温度从25 ℃升至350 ℃时，水的离子积常数(Kw)从10-14增加到10-12[18]。由此产生的高浓度的H+和OH-可以促进酸或碱催化的水热液化过程[19]。

引入催化剂是生物油制备过程提高产量、改善质量的一种有效方法[20]。Yang等[21]在藻类及模型物的水热液化过程中分别加入硫酸和乙酸作为催化剂，生物油产率均得到提高。与均相催化剂相比，非均相催化剂具有易分离、环境友好、可循环利用的优点[22-23]。非均相催化剂如分子筛、稀有金属、过渡金属氧化物，及负载型金属催化剂已被广泛应用于藻类的催化液化中[24]。其中HZSM-5因易于制备、水热稳定性好、催化活性强而备受关注。

除温度、催化剂外，藻类的生物化学组成也是影响生物油产量和质量的重要因素。赵永年[7]以不同种类的藻和模型物为原料进行水热液化实验，发现固体酸催化剂SO42-/ZrO2能显著提高生物油产率并改变生物油组成。Gai等[25]研究了无催化剂时2种低脂微藻生物油形成路径，但鲜有研究能够深入了解催化剂对藻类及其主成分的水热液化过程中生物油形成路径的影响。笔者构建实验藻类主要成分(包括多糖、蛋白质及脂类化合物)模型，在浒苔和小球藻及其主要成分的水热液化反应中引入HZSM-5催化剂，考察催化剂用量对藻类水热液化产物产率、生物油的组成及其热值(HHV)的影响，并进一步探究HZSM-5催化剂对藻类生物油形成路径的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与原料

ZSM-5(n(Si)/n(Al)=38)，工业级，天津市元立化工有限公司产品；硝酸铵(NH4NO3)，分析纯，天津市巴斯夫化工有限公司产品；二氯甲烷、甘油、油酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司产品；氮气(体积分数99.5%)，青岛瑞丰气体有限公司提供。多糖、蛋白质及小球藻干粉购买于陕西帕尼尔生物科技有限公司；脂类化合物模型物由甘油和油酸混合物替代。浒苔采集于青岛第二海水浴场，洗涤后冷冻备用。

1.2 HZSM-5的制备

采用离子交换法制备HZSM-5催化剂。称取质量为5.0 g的ZSM-5,与1 mol/L的NH4NO3溶液按料液的质量与体积比为1∶20混匀，在80 ℃下，搅拌交换2 h，抽滤，用蒸馏水洗涤固体产物至中性。重复以上步骤2次，将所得样品在100 ℃烘箱中干燥24 h，于 550 ℃马弗炉中焙烧6 h，取出干燥保存待用。

1.3 水热液化过程

藻类及其主成分模型物的水热液化过程在高压反应釜中进行，以8 ℃/min的加热速率升温至各原料的最佳反应温度，固定液化时间为15 min。反应结束后冷却至室温，取出产物、抽滤、静置分层、分离油相和水相。油相在35 ℃下减压蒸馏除去溶剂得到生物油(Bio-oil)；水相在60 ℃下蒸发除去水分得到水溶性产物(WSOs)。将滤渣于110 ℃下烘干至恒重[4]。根据式(1)、(2)、(3)和(4)分别计算各产物的产率。

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分别表示生物油、残渣、水溶性物质和气体的产率，%；mb、mr、mw和mf分别表示生物油、残渣、水溶性产物和原料的质量，g。

1.4 生物油的分析

利用南京多助科技发展有限公司ZR-3R燃烧热实验装置，测定所得生物油的热值，仪器温差分辨率为0.001 ℃，温度分辨率为0.01 ℃。利用美国Agilent公司7890A/5975C型气相色谱-质谱仪(GC-MS)对生物油的组成进行分析。色谱分析条件：色谱柱DB-5，30 m × 250 μm × 0.25 μm。以甲醇为溶剂，高纯氦气为载气，载气流量为1.5 mL/min；分流进样，分流流量为20 mL/min；进样口温度280 ℃，色谱柱初温40 ℃，保持 3 min，10 ℃/min升温至300 ℃，保持29 min。根据美国国家标准与技术研究局(NIST)质谱库确认化合物结构。

2 结果与讨论

2.1 主成分模型物的水热液化

在各物质最佳反应温度下，HZSM-5用量对3种藻类主成分模型物水热液化产物产率的影响如图1 所示。由图1可知，多糖水热液化主要形成水相和气相产物，生物油产率只有5%左右。催化剂的引入对生物油的产率无明显影响，但可以使生物油的热值略有提高。蛋白质的水热液化生物油的产率明显高于多糖，但加入HZSM-5后生物油的产率和热值都不同程度的下降。脂类化合物的水热液化产物主要是生物油，水相与气相产物及残渣总和小于15%。生物油产率随着催化剂用量的增加而升高，当HZSM-5的质量分数为9%时，脂类化合物水热液化的生物油产率最高，达到了92.41%；其热值也有所提高。由此可见，藻类生物水热液化产生的生物油主要来自脂类化合物，因而脂含量高的藻液化后生物油产率高。另外，HZSM-5对藻类生物的3种主成分模型物的液化产物产率和热值影响不同，说明了其对3种模型物的水热液化过程影响不同。

图1 多糖、蛋白和脂类化合物水热液化所得产物产率和生物油热值(HHV)随HZSM-5用量的变化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 主成分模型物水热液化路径分析

2.2.1 HZSM-5对多糖水热液化路径的影响

采用GC-MS分析多糖在水热液化条件下，加入催化剂前后所得生物油的部分重要化合物的名称及含量列于表1。由表1可知，生物油中主要含有环酮类、糠醛类、呋喃类、酚类、烃类等物质。环酮类物质可能是由非还原糖和还原糖通过脱水、异构化、环化等过程形成的[21]，包括单酮和二酮。HZSM-5的加入抑制了环酮类物质的生成。糠醛类物质在酸性条件下分解为呋喃和甲酸等小分子物质[26]。未加入催化剂前，5-羟甲基糠醛(5-HMF)所占混合物的比例为28.62%，而加入催化剂后，生物油中几乎没有检测到5-HMF的存在，呋喃类物质却大幅度上升。因此，推测添加HZSM-5促使 5-HMF 在水热液化过程中几乎完全降解为呋喃类物质。水热液化过程中氧元素的脱除一般是通过脱羧或脱水实现的，加入催化剂后抑制了氧以水的形式脱除，促进了氧转化为产物CO2，提高了生物油的H/C比和热值。这与多糖水热液化的水相和气相产物产率及生物油热值变化趋势一致。此外，生物油中的酚类物质是由一部分糠醛或呋喃类物质在碱性或中性条件下脱水降解形成的[27]，加入酸催化剂以后，催化剂抑制了糠醛或呋喃类物质水解生成酚类物质。杨文超[28]认为葡萄糖分解可能产生羧酸类物质。由表1可知，在加入HZSM-5后多糖水热液化得到的生物油中出现了一定量的脂肪酸，其具体的形成路径还需进一步的探讨。

2.2.2 HZSM-5对蛋白质水热液化路径的影响

引入HZSM-5前后蛋白质水热液化制得生物油中的部分重要化合物的GC-MS结果列于表2中。由表2可知，生物油中酮类物质是由蛋白质水解生成的氨基酸通过分子间缩合、水解以及异构化等过程形成的，包括单酮和二酮[21]。藻类生物中的蛋白质是其水热液化生成的高含氮生物油组分的主要贡献者，且可能会在燃烧过程中产生NOx的排放[29]。没有加入催化剂之前，生物油中的含氮化合物占据了较大的比重；加入催化剂之后，含氮化合物的总量下降；表明HZSM-5的加入促进了脱氮反应发生，有利于提升生物油品质。

在水热条件下，蛋白质水解产物氨基酸主要发生两类反应：一是脱羧反应生成胺和CO2，二是脱氨反应生成有机酸和氨气[30]。胺类化合物减少，说明催化剂可能抑制了氨基酸的脱羧反应，使CO2的释放减少，生物油的H/C比降低、热值减少。加入催化剂后，生物油中出现了烃类物质，可能是氨基酸脱氨基生成了有机酸，有机酸进一步发生脱羧反应

表1 加入HZSM-5催化剂前后多糖水热液化所得生物油的主要组成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.

生成烃类物质。加入催化剂后，产物中醇类和酚类物质含量增加，表明催化剂强化了氨基酸脱氨基生成有机酸的反应，有机酸进而发生还原和环化反应，生成了醇类和酚类物质。

2.2.3 HZSM-5对脂类化合物水热液化路径的影响

脂类化合物经水热液化主要水解为脂肪酸和丙三醇。丙三醇存在于水相产物中；脂肪酸在水热条件下主要发生氢化[31]或者脱氢[28]反应。有无催化剂的加入，脂肪酸都是脂类化合物水热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，油酸经水热液化主要形成亚油酸(Linoleic acid)、6-十八烯酸(6-Octadecenoic acid)和软脂酸(Palmitic acid)等3种脂肪酸及少量其他羧酸，与Yang等[21]使用液体酸催化剂进行脂类化合物水热液化的产物相似。加入HZSM-5催化剂主要促进了亚油酸的生成，抑制了6-十八烯酸和软脂酸的生成反应；且添加催化剂后，脂肪酸的总量降低，可能是因为脂肪酸进一步发生脱羧反应，生成了烃类物质[28]。

表2 加入HZSM-5催化剂前后蛋白质水热液化所得生物油的主要组成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催化剂前后脂类化合物水热液化所得生物油的主要组成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 藻类主成分水热液化路径

根据上述分析，藻类主要成分多糖、蛋白质和脂类化合物的水热液化路径如图2所示。HZSM-5的加入对于多糖和蛋白质水热液化形成的生物油的成分有较大影响：促进了多糖水解产物糠醛生成呋喃的反应，及蛋白质的水解产物有机酸的脱羧和还原反应；抑制了多糖和蛋白质分别生成酮类物质的反应，部分糠醛或呋喃生成醇类物质的反应，及氨基酸的脱羧反应；改变了脂类化合物水热液化中不同脂肪酸的比例。

2.3 浒苔和小球藻的水热液化

图3为催化剂HZSM-5用量对浒苔和小球藻水热液化生物油产率及热值的影响。由图3可知：随着HZSM-5用量的增加，浒苔水热液化生物油的产率和热值基本保持不变，与文献[32]中报道的浒苔及低脂藻的液化结果相似；小球藻水热液化的生物油产率先提高后保持不变，热值先增加后下降，当HZSM-5质量分数为5%时，二者都达到最高。在催化剂的不同加入量下，小球藻水热液化的生物油产率均高于浒苔，进一步验证了藻类主成分对生物油贡献率的大小依次为脂类化合物、蛋白质、多糖。且在相同条件下，脂类和蛋白质含量高的微藻生物油的热值比低脂含量的大型藻更高。

图2 HZSM-5存在下，藻类主成分模型物水热液化的生物油形成路径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

图3 HZSM-5用量对藻类水热液化生物油产率和热值的影响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 浒苔和小球藻水热液化路径分析

2.4.1 HZSM-5对浒苔水热液化路径的影响

在有无HZSM-5存在下，浒苔水热液化生物油的主要组成如表4所示。由表4可知，浒苔生物油的主要成分为酮类、醇、糠醛、烃类、吡嗪类、脂肪酸类、酯类、酰胺类等。由于浒苔富含多糖，因此其液化生物油中来自糖类降解物质的比重较大，如酮类；醇可能是蛋白质水热液化的产物；脂肪酸主要来自于脂类化合物。HZSM-5促进了非还原糖水解生成糠醛的反应[27]和脂肪酸的增加，抑制了有机酸还原生成醇的反应，导致醇减少。

与3种主成分模型物单独水热液化生成的生物油相比，浒苔水热液化生成的生物油中酯类和酰胺类物质含量明显增加，推测可能发生了主成分间的相互作用。酯类物质主要是由脂类水解的脂肪酸与蛋白质水解的醇酯化生成的[25]，HZSM-5的加入促进了该酯化反应的进行，使酯类物质含量增加。酰胺类物质除由蛋白质水热液化形成，还可能由脂类水热液化的脂肪酸与蛋白质水热液化的氨基酸脱氨产物(氨气)反应生成。HZSM-5的加入促进了浒苔水热液化过程中的酰胺化反应[27]。

2.4.2 HZSM-5对小球藻水热液化路径的影响

在有无HZSM-5存在下，小球藻水热液化生物油的主要组成如表5所示。由表5可知，小球藻液化生物油的主要成分为烃、脂肪酸类、酯类、酰胺类、醇、吡啶、吡嗪、哌嗪等。Wang等[33]对微拟球藻水热液化制得的生物油进行检测，认为其中的含氮化合物可分为2种主要存在形式：脂肪酰胺和含氮杂环化合物。脂肪酰胺可能是来自脂肪酸和水解氨基酸生成的氨(或胺)之间的酰胺化反应；含氮杂环化合物可能来自氨基酸间的环化反应或美拉德反应。HZSM-5的加入会抑制酰胺化反应，可能是催化剂抑制了氨基酸的脱氨反应，导致酰胺化反应的反应物之一的氨气减少。同时，引入HZSM-5后，小球藻水热液化生物油中的含氮杂环化合物(吡啶、吡嗪、哌嗪等)的含量都有所下降，表明HZSM-5抑制了氨基酸之间的环化反应或美拉德反应。此外，引入催化剂后，小球藻水热液化产物中酯类物质增多，表明HZSM-5促进了水热液化时的酯化反应。

表4 加入HZSM-5前后浒苔水热液化所得生物油的主要组成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前后小球藻水热液化所得生物油的主要组成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.

对比2种藻类，小球藻水热液化生成的生物油中含氮化合物明显多于浒苔，可能的原因是小球藻中蛋白质含量远高于浒苔。HZSM-5促进了浒苔水热液化的酰胺化反应，却抑制了小球藻的酰胺化反应，说明催化剂对不同藻类生物的水热液化过程中主成分间的相互作用的影响不同[27]。综上，引入HZSM-5可显著影响浒苔和小球藻水热液化生物油的组分组成和含量，影响藻类中多糖、蛋白质和脂类化合物的降解路径和相互作用。

2.4.3 藻类水热液化路径

图4为藻类的水热液化过程中的反应路径。由图4可知，藻类生物的水热液化可以分为以下步骤：(1)在低温阶段，藻类的主成分如多糖、蛋白质和脂类化合物水解形成小分子物质；(2)随着温度的升高，小分子物质被降解、脱水、脱羧和脱氨，分解形成酮、胺、醇等中间产物；(3)随着温度的进一步升高，中间产物之间发生相互反应，如美拉德反应、酰胺化反应和酯化反应等[9,25,33]，生成新的物种。

3 结 论

(1)藻类3种主成分对其水热液化制取生物油的贡献率由大到小为脂类化合物、蛋白质、多糖。

(2)HZSM-5对藻类生物3种主成分模型物的水热液化过程具有不同的影响。HZSM-5的引入，明显提高了脂类化合物水热液化生物油的产率和热值；降低了蛋白质水热液化生物油的产率和热值；但对多糖水热液化的生物油产率和热值几乎无影响。

(3)HZSM-5催化剂的引入：抑制了多糖水热液化中酮类和酚类物质的生成，促进了糠醛生成呋喃类物质的反应；促进了蛋白质水热液化有机酸的脱羧反应和还原反应，抑制了氨基酸的分子间缩合和水解异构化反应以及氨基酸的脱羧反应；改变了脂类化合物水热液化中各种脂肪酸的比例，促进了脂肪酸的脱羧反应。

(4)浒苔和小球藻的水热液化产物分析表明藻类主成分间发生相互作用。引入HZSM-5可显著影响浒苔和小球藻水热液化生物油的组分组成和含量，影响藻类中多糖、蛋白质和脂类化合物的降解路径和相互作用。

图4 HZSM-5存在下藻类生物水热液化生物油的形成路径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