为了解决化石能源安全以及其燃烧过程所带来的环境污染问题,大力发展清洁可再生替代能源已经成为当前国内外研究热点,其中,液态生物燃料作为一种极具竞争力同时又更富研发挑战的清洁可再生能源被广泛关注和研究。目前,在生物质热转化技术中水热液化因无需对原料进行严格地干燥,进而可大大降低能源消耗,从而在水生生物质的能源转化中体现出更大的技术优势。本文则以分布广泛、生长周期短的低脂微藻(螺旋藻)作为研究对象,以提升生物油产率和品质为目标,提出开展不同反应条件下液化伴生水相循环对螺旋藻液化特性的影响研究。同时探索了螺旋藻的液化水相溶剂对α-纤维素和木质素水热液化的影响。针对螺旋藻循环液化生物油产率提升但品质下降问题,提出了活性炭对水相进行吸附预处理的技术途径,开展吸附预处理后的水热液化特性研究,最终基于螺旋藻主要单一组分藻蓝蛋白的水相循环试验,揭示螺旋藻水相循环反应路径。主要研究内容及创新性结论如下:(1)螺旋藻作为一种典型的低脂微藻,蛋白质含量超过70 wt.%,脂质含量不足6 wt.%。在开展螺旋藻水热液化水相循环的研究中,反应条件为340℃,50 min,水相循环1次就获得了显著的生物油产率的提升,两次以上进一步提升效果有限;当纯水全部替换为有机循环水相后,生物油产率从30 wt.%提升至43.6 wt.%。液化后水相中的主要成分是含氮化合物和有机酸,生物油中的成分更为复杂,主要由含氮化合物、烃类、脂肪酸、酯类、酮类和醛类等组成。循环液化后水相中的有机酸含量降低,促进了螺旋藻的水解,同时,反应后水相和生物油中的N含量增加,生物油品质有所下降。(2)螺旋藻液化水相分别作用于α-纤维素和木质素的液化试验研究得出,α-纤维素和木质素的反应条件分别为300℃,30 min和350℃,60 min。螺旋藻的液化水相能促进α-纤维素水热转化,提升生物油产率。相反,对木质素的转化及产油却存在抑制效果。研究发现,α-纤维素以水作为溶剂时获得的生物油中含有28.8%的5-hydroxymethylfurfural(5-HMF),在以螺旋藻的水相作为溶剂时,5-HMF的含量急剧下降,吡嗪类化合物含量明显增多,这是因为糠醛与含氮化合物发生了美拉德反应,同时生物油中的有机酸和酮的含量也有所增加,促进了液化制油过程,进而生物油产率增加。而采用有机水相溶剂会加剧木质素转化过程中酚类化合物的聚合反应,进而抑制了木质素的液化产油,导致产油率下降。(3)针对螺旋藻水相循环所得生物油中N含量增加而品质下降问题,对30 mL有机水相开展了吸附预处理试验研究,得出,当活性炭为160 mg,吸附时间为40 min时的吸附效果最佳,此时使用预处理水相作为溶剂参与液化反应,在340℃,50 min时的生物油产率为35.15 wt.%。活性炭吸附预处理后,水相中的有机酸含量几乎不变,而含氮化合物的含量下降了约20%,该预处理后的循环水相用于螺旋藻液化过程,生物油中N含量比未经吸附处理工况下降了4.97 wt.%,C含量增加了2.81 wt.%,十六烷酸含量提高,生物油的品质得以提升。(4)基于响应曲面法开展对螺旋藻主要的单一组分藻蓝蛋白的水热液化试验,研究得出,在305℃,35 min的条件下,可获得32.2 wt.%的最大生物油产率。在此基础上采用单因素试验法开展了不同反应温度、停留时间下的循环液化试验,得出,当反应温度在285~325℃之间,且停留时间为25~55 min时,水相循环有较大收益。在305℃,35 min时,藻蓝蛋白循环液化获得的生物油产率最大,为37.4 wt.%。过高的反应温度以及过短/过长的停留时间都会降低水相中有机酸的含量。藻蓝蛋白循环液化后水相和生物油中主要成分的变化规律与螺旋藻相似,进而基于藻类蛋白水相和生物油中主要成分的变化规律,初步推出了螺旋藻在水相循环条件下的水热液化反应路径。