Characterization of bio-oil from induction-heating pyrolysis of food-processing sewage sludges using chromatographic analysis (可搜到原文)
利用色谱法分析感应加热热解食品加工污泥中生物油特征
Wen-Tien Tsai a,*, Mei-Kuei Lee b, Jeng-Hung Chang b, Ting-Yi Su b, Yuan-Ming Chang a
a Graduate Institute of Bioresources, National Pingtung University of Science and Technology, Pingtung 912, Taiwan
b Department of Environmental Engineering and Science, Chia Nan University of Pharmacy and Science, Tainan 717,
Taiwan
摘要：在这项研究中，利用气相色谱分析-质谱法(GC-MS)分析了热解生物油和来自感应加热技术热解工业污水污泥产生的气体的分数。使用从25到500℃加热速率为300℃/min，低温冷凝氮气中的挥发分得到了液体产品。分析结果表明：热解生物油是非常复杂的有机化合物的混合物和含有大量的氮氧化物/或含氧化合物，如脂肪烃类物质、酚类化合物、吡啶类、吡咯、胺类、酮类，等等。目前污水污泥中的微生物含有来自蛋白质和核酸纹理的有机碳氢化合物含有氮/或氧。不凝性挥发组分由氮氮氧化物和含氧的化合物组成，但所载小分数为酚类化合物、1H-吲哚和脂肪羧酸。另一方面，通过气相色谱法-热导检测器（GC-TCD）进行分析得出不凝气体产品中的成分主要是二氧化碳、一氧化碳和甲烷。
关键字：污水污泥；热解油；气相色谱-质谱法
介绍
为了应对全球气候变暖和化石燃料价格飙升，近年来生物质资源的能源利用已引起广泛关注，因为这种替代能源将难以放出有害空气污染物（如硫氧化物和有毒重金属）和不作为化石燃料相比增加净温室气体（即CO2）排放到大气中。这一发展的同时，产生的活性污泥对于城市污水污泥的处理和处置是严重问题及其对环境和人类健康的影响。生物废料传统上被植入土壤为农业应用(Fytili and Zabaniotou，2008).然而，由于市民洞察到有毒污染物和污水污泥中所载的病原体可能有不利影响，该方法引起了越来越多地市民的关注。由于不断增加的污泥管理成本，污水污泥最近已用作用于能量在所有产业生产的生物质资源（Rulkens，2008）。
在热化学技术中，热解已被广泛用于将生物质资源转化为可燃气体、生物油和焦炭。最近技术进一步证实了因为液体产品的产量增加了在(1)很高的加热速率及其加工条件（>100℃/min），（2）研磨得生物饲料（< 1mm），(3)严格控制温度(大约500℃)和(4)快速冷却的热解蒸气，得到生物原油产品(Bridgwater et al.，1999；Demirbas，2001；McKendry，2002；Gross et al.，2003)。热解产物从生物质资源的利用，这种气体可以视为气体燃料，而非水相生物油可用于作为液体燃料或原料化学品。在这方面，热解一直被视为一种可用的替代技术，污水污泥转化为生物燃料和有价值的化学品(Campbell and Bridle，1986; Werther and Ogada，1999)。污水污泥的热解机理是一个复杂的过程，因为同时众多的降解反应的发生可能与异类生物量(Cones et al.，1998)。其中包含可生物降解的有机物质，死掉的细菌和非生物降解分数。
为了更好地理解从污水污泥热解过程中产生的生物油产品制造的化学成分，在气相色谱-质谱（GC-MS）的基础上进行了几项研究。利用热重分析法-质谱联用仪(TGA-MS)，Conesa et al. (1998)研
究了不同污水厂污泥从城市废水处理厂在升温速率20℃/min，产生大量的热降解C1-C4烃类，乙酸，等。Dominguez et al.(2003，2005，2006)调查产生的不同的城市生活污水的微波热解油馏分的表征污泥在高升温速率从167到300℃/min，识别不同种类的有机化合物：对于脂肪族、酸、酯、酰胺、腈、类固醇激素和多环芳烃（PAHs）。Fullana et al. (2003，2005)从社区废水处理厂取得污泥在卧式反应器炉中加热至850或700℃/min热解，展示有机化合物生物油中确定已被分为速度轻烃（如苯、甲苯）和半挥发性化合物（如苯甲腈、多环芳烃），大多属于氮氧化物化合物，如腈吡啶类、酰胺类、胺类和多环芳烃等化合物。Shen and Zhang (2003)也热解城市污水污泥在低温度（300-600℃）流化床上的7℃/min至500℃加热速度和进一步确定生物油成分的气相色谱-质谱法，表明热解油是复杂的混合物组成的沥青质、脂肪族、芳香烃和双星。Karayildirim et al.(2006年) 调查了在摇床上的7℃/min 至500℃，加热速度固定石油化工废水处理厂的污泥的热解和鉴定的生物油和分别使用TGA-MS和气相色谱法-热导检测器（GC-TCD），热解气体产品，指示热解油中含有大量的脂肪族化合物和气态产品主要是CO、CO2、氢和甲烷。Dominguez et al. (2007)也报道产生从电炉在升高的温度(即1000℃) 和高升温速率（约100℃/min) 在城市污水厂污泥的热解气体的特点。它被发现，气态的分数在热解过程中产生的氢含量高和湿生污泥气化明显高于干污泥的热解。Zhai等(2008)最近描述了从直径不同，城市污水厂污泥的热解产品的特点。他们主要确定化合物在生物油的组成包括芳香环分支链和长长的直的烃链联系在一起。
在以往的研究(Tsai et al.，2006，2007)，式感应加热技术是适合于农业废弃物快速热解（即水稻稻壳、稻草，甘蔗蔗渣和椰子壳）。它被发现由此产生-生物油含有大量的水和较少的内容的羰基氧合脂肪烃合成。进一步，从食品加工工厂的三个污水污泥的热解研究了在感应加热炉，显示出变异生物油的产量和及其特点(即pH值、水分含量、元素分析、和低热值）不是那么重要的三个污水厂污泥的实验条件(Tsai et al.，2009)。这项工作的目的是来表征成分的挥发馏分，其中三个食品加工污水污泥处理中指定的感应加热热解条件下，用色谱方法生产（即气相色谱-质谱和气相色谱法-热导检测器）。因此，挥发组分样品包括的不凝性气体和可凝性生物油产品收集的低温系统（-10℃）在这项研究。
2.实验
2.1原料
实验运行的初始原料取自三个污水厂污泥分别是果糖制造、牛奶衍生物和啤酒酿造的工厂，被指定为标志污泥“X”、污泥“Y”和污泥“Z”。为了消除大部分的水分，将这些污泥在阳光下晒干，然后去除杂质（比如，碎石）。污水厂污泥在水平固定流化床反应器中，它由一种高频率发生器加热快速热解制备脱挥发分分数样品（即感应加热）如以前报告(Tsai et al.，2006，2007)。快速热解系统的实验条件如下：热解温度从室温到500℃、300℃/min，加热速率和氮气流量1000 cm3/min不等。由此产生的热解气体产品立即被冷却并冷凝通过操作低温循环浴在10℃与乙二醇/水的解决办法。由此产生的生物油然后被从耐热玻璃真空收集器，良好的绝缘情况，防止它蒸发。凝组分都含有大量的冷凝水。它们的C/H/N分别是5.4/4.9/1.7、6.4/2.8/2.3和5.3/0.7/1.3由重量(Tsai et al.，2009)，分别得到的果糖制造污泥、牛奶制造污泥和啤酒酿造的污泥热解。这一结果与污水厂污泥的最终分析一致(Tsai et al.，2009)。
2.2热解实验
液化作为快速热解的污水污泥水平固定床反应堆的准备，由高频发生器加热(例如：感应热)，此前报道(Tsai et al.，2006，2007)。快速热解系统的实验条件如下:热解温度范围从室温300℃~500℃ /min 升温速率，氮流量为1000cm3/min。由此产生的热解气体产品立即冷却和冷凝操作低温循环浴10℃与乙二醇/水的解决方案。用从派热克斯玻璃真空收集器收集生物油，它良好的绝缘防止它蒸发，可压缩的分数包含大量的凝聚水。他们的C/H/N质量比为5.4/4.9/1.7，2.8/2.3/6.4和5.3/0.7/1.3(Tsai et al.，2009).，热解分别获得果糖制造污泥、牛奶制造污泥和啤酒加工污泥。这个结果支持了污水污泥的最终分析((Tsai et al.，2009).。
