近日，我院肖智华教授课题组在环境科学与生态学领域著名学术期刊Waste Management上发表了题为“Alkaline catalytic liquefaction of pig manure fermentation residue in ethanol solvent for the production of high-quality biocrude oil”的论文。该研究主要利用碱性催化剂在乙醇溶剂中催化液化猪粪沼渣制备生物原油，探究不同催化剂对产物性能的影响。该技术通过高效转化沼渣为高品质生物原油，实现了废弃物资源化与绿色能源生产的有机结合，为沼气工程沼渣处理提供了经济环保的新策略。

图文摘要：

沼气工程的广泛应用产生了大量的沼渣。沼渣的进一步处理有利于资源化利用和保证其安全处理，并有望提高沼气工程的经济效益。本文以乙醇为溶剂，在340 ℃下，采用多种碱性催化剂对猪粪沼渣进行催化液化生产生物原油进行了研究。采用元素分析、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、热重分析和动力学分析对生物原油进行了分析。在KOH催化作用下，生物原油产率达到最大值（45.24 wt%）。此外，CaO催化产生的生物原油的高位热值为44.18 MJ/kg。GC - MS结果表明，KOH和K2CO3在降低含氮化合物的同时，显著增加了生物油中酚类和烃类物质的含量。与未添加催化剂的生物原油相比，所有碱性催化剂均有效降低了生物原油的活化能。添加K2CO3后，活化能的降低幅度最大（18.73%）。添加CaO不仅提高了生物原油的产率和高位热值，还可以降低含氮化合物含量和活化能，从而提高生物原油的整体品质。总的来说，这项研究为把沼渣转化为绿色优质的生物原油提供了一种有效和有前途的方法，同时为发酵工业提供了一种经济环保的废弃物管理策略。

图1 催化液化制备生物油流程示意图

表1 沼渣和生物原油的元素分析

CaO的添加提高了生物油的C和H含量，降低了O含量，从而获得更高热值。其中CaO催化产物的热值已超过生物柴油标准（44.18 MJ/kg），表明其作为生物燃料具有较大的应用潜力。

图2 猪粪沼渣生物原油的主要成分( A :醇类; O :有机酸类; K :酮类; N :含氮化合物; P :酚类; H :碳氢化合物; E :酯类)。

通过GC-MS分析发现，碱性催化剂能显著改变生物原油组分。CaO、MgO、KOH、NaOH、K2CO3和Na2CO3的在液化过程中可以促进脱氮从而有效降低生物原油中的含氮化合物，其中KOH作为催化剂可以使猪粪沼渣生物原油中含氮化合物的含量从75.88%降至32.63%，减少生物原油中吡啶的含量，有助于减少其作为燃料在燃烧过程中氮氧化物的排放。KOH和K2CO3可以促进游离脂肪酸的脱羧反应提高生物原油的碳氢化合物含量，从而提升其作为燃料的品质。

图3 各生物油的热重分析结果

催化液化可以提高生物原油的沸点。CaO、MgO、KOH、NaOH和Na2CO3的催化作用增加了生物原油在350- 450℃的失重率，表明这些碱性催化剂有利于促进柴油范围化合物的形成。此外，较高的沸点范围表明催化反应生成的生物原油易于分离和回收。此外，结合热重分析数据进行热动力学分析，发现六种催化剂均能有效减低生物原油的活化能，Na2CO3在降低生物原油活化能方面表现出最有效的催化性能，可以使生物原油的活化能降低18.73%。这些结果表明，催化液化得到的生物原油有望通过催化重整、加氢或重排进一步加工成高价值的燃料和化学品。

小结：

该研究表明，以乙醇为液化溶剂时，碱性催化剂能有效提升沼渣生物原油的品质。这种催化剂应用的进步不仅提高了沼渣生物原油的质量和可用性，而且是朝着可持续和环保的燃料和化学品生产方向迈出的重要一步。总的来说，该研究结果有助于加深对碱性催化剂在猪粪沼渣制备生物原油过程中所发挥作用的认识，为开发高效、环保的工业流程和促进生物质能源的可持续利用提供了理论基础。

通讯作者：

肖智华，教授/博士生导师。湖南农业大学引进人才，现为我院生态系教师。研究方向为重金属治理。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金项目等国家级项目3项。在Chemical Engineering Journal、Energy、Renewable energy、Bioresource Technology 、Energy Conversion and Management 、Journal of Cleaner Production、Environmental Pollution等国际知名期刊上发表学术论文70余篇，其中SCI收录60余篇。

第一作者：唐加龙， 2022级硕士研究生，现就读于湖南农业大学环境与生态学院。主要研究方向为固体废物资源化及其重金属的控制。在Waste Management发表论文2篇。