拉曼光谱与微型毛细管反应器联用研究微藻及其模型化合物的水热液化产物

摘要

近年来，气候变化、能源危机以及环境污染日益严重成为当今世界可持续发展所必须面临的困境。利用生物质资源制备可再生的能源提供了一个长期生产液体燃料的可持续选择，能源需求的动力促使研究者们发展了从生物质制备生物燃油的许多新方法。在众多生物质资源当中，微藻(microalgae)具有光合作用强、生长周期短、生长速率快、不占用耕地以及固碳能力强等优势，被认为是下一代能源的理想原料。
　　本实验利用熔融石英毛细管反应器(Fused silica capillary reactor，简称FSCR)结合显微成像系统观测并记录微藻（模型化合物）水热液化现象，并结合Raman光谱、GC-MS和红外光谱等分析研究微藻水热液化产物。
　　实验设置水热反应升温程序:升温速率50℃/min升温至360℃，在360℃恒温30min后以10℃/min的降温速率降至室温并采集了FSCR中水热液化过程的图片。FSCR中杜氏盐藻和模型化合物的水热液化研究表明在整个水热液化过程中，在温度不超过200℃时，随着温度的升高以原料的溶解和扩散过程为主;随着温度的进一步升高，液化反应开始进行，原料不同观测到不同的液化现象，这主要取决于原料所具有的官能团，蛋白质和糖类化合物具有较多的官能团且极性较大，所以表观上的反应现象较为明显，而高级脂肪酸表观现象更近于物质溶解析出过程，可能不伴随化学变化的发生。
　　由于盐藻及其液化产物携带的分子信息量大且复杂程度高，实验在石英玻璃管进行了放大水热液化实验并结合GC-MS和红外光谱分析液化产物。GC-MS分析结果显示产物以脂肪酸类化合物为主，烃类、酰胺类和氮杂环化合物含量相对较少，傅里叶红外光谱分析与GC-MS结果相吻合。
　　实验结合Raman光谱分析了模型化合物在FSCR中的水热液化并利用GC-MS分析其放大水热实验的液化产物。Raman光谱分析表明脂肪酸水热反应前后没有化学变化，蛋白质类和糖类在水热液化过程分子价键遭到破坏，且甘氨酸和葡萄糖气相产物中均检测到CO2。
　　GC-MS分析结果显示脂肪酸具有较高的水热稳定性，甘氨酸和葡萄糖的水热过程均产生了新物质，模型化合物的共液化表明液化过程中存在相互作用。
　　基于实验研究和相关文献提出微藻水热液化反应机理:第一步，蛋白质、糖类和脂质的水解:蛋白质水解得到氨基酸，糖类水解得到二糖或单糖，脂质水解生成脂肪酸。第二步，氨基酸、脂肪酸和糖的分解:氨基酸脱羧反应产生气体产物CO2，糖类的降解得到环氧化产物。第三步，中间产物的再分解、重组和再聚合:糖类重排产生气体产物CO2，氨基酸、糖类裂解产物发生重排反应得到N-杂环化合物、吡嗪、吡咯等，氨基酸、糖类裂解产物也会与脂肪酸重组加长碳链、生成酰胺。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 课题背景与意义

1．2 文献综述

1．2．1 微藻概述

1．2．2 微藻应用研究进展

1．2．3 生物油

1．2．4 水热液化

1．3 主要研究内容

第二章 试验部分

2．1 材料和装置

2．2 石英玻璃管反应器

2．2．1 熔融微型石英毛细管反应器(FSCR)制备

2．2．1 石英玻璃管反应器制备

2．3 FSCR中水热液化实验

2．3．1 水热液化实验装置介绍

2．3．2 水热液化实验步骤

2．4 拉曼实验

2．4．1 拉曼光谱分析原理

2．4．2 拉曼光谱分析方法及影响因素

2．5 产物分析方法

2．5．1 红外分析

2．5．2 GC-MS分析

第三章 FSCR反应器中微藻及模型化合物的水热液化研究

3．1 微藻的水热液化研究

3．2 模型化合物的水热液化研究

3．2．1 蛋白质类化合物的水热液化研究

3．2．2 糖类物质的水热液化研究

3．2．3 脂肪酸类物质的水热液化研究

3．3 本章小结

第四章 微藻及模型化合物水热液化产物分析和机理探讨

4．1 Raman光谱研究

4．1．1 甘氨酸Raman光谱分析

4．1．2 葡萄糖Raman光谱分析

4．1．3 硬脂酸Raman光谱分析

4．2 水热液化产物的GC-MS分析

4．2．1 杜氏盐藻水热液化产物GC-MS分析

4．2．2 模型化合物水热液化产物GC-MS分析

4．3 水热液化产物红外光谱分析

4．4 微藻水热液化机理探讨

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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