近日，环境科学与技术领域权威期刊Environmental Science & Technology以Supplementary Journal Cover文章刊登了我院张亚雷教授、沈峥研究员团队的研究成果，标题为“Interaction Effects between the Main Components of Protein-Rich Biomass during Microwave-Assisted Pyrolysis”（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10594）。

图2 图文摘要

   在生物质的微波辅助热解过程中，除了微波功率等热解参数外，生物质自身的组成对热解产物的分布也具有显著影响。尤其是在富蛋白质生物质（例如，微藻和市政污泥）微波辅助热解过程中，一方面，其微波辅助热解会生成能导致光化学烟雾、臭氧层破坏、酸雨和温室效应等污染的NO_x前驱体。另一方面，富蛋白质生物质的微波辅助热解能生成具有高附加值的含氮化合物、氮掺杂生物炭、氨气等产物。因此，理解富蛋白质生物质微波辅助热解过程中产物的形成机制对于富蛋白质生物质的环境友好和高值化利用至关重要。在本研究中，以富蛋白质生物质的主要成分（即蛋白质（P）、碳水化合物（C）和脂质（L））的模型化合物为原料在微波管式炉中进行单独热解和共热解实验。通过分析升温曲线、三相产物的分布及组成和协同程度，探讨了富蛋白质生物质主要成分在微波热解过程中的相互作用效应，并提出了可能的相互作用机制。此外，为了验证所提出的相互作用效应的适用性，开展了微藻的微波辅助热解实验。本研究可为富蛋白质生物质微波辅助热解工艺的机理研究提供理论基础，并可指导生物质能的合理利用和开发。

图2 图文摘要

本研究发现，虽然蛋白质在25 ℃时的损耗角正切值（tan δ，其值越高表示微波吸收能力越强）低于碳水化合物，但是蛋白质的平均加热速率要高于碳水化合物和脂质，这可能是因为蛋白质微波辅助热解生成的生物炭的微波吸收能力较强。此外，吸收微波的极性分子之间的反应可能是导致平均升温速率（除碳水化合物与脂质）和最大瞬时升温速率降低的原因。由于挥发物之间的缩合和聚合，各主要成分之间的相互作用促进了生物油（除蛋白质与碳水化合物）和生物炭的生成，而抑制了气体的生成。对于气体产物，除H₂外，蛋白质、碳水化合物和脂质分别主要生成CO₂、CO和CH₄。在蛋白质的微波辅助热解中，氨基酸的羧基（–COOH）发生脱羧反应生成CO₂。在碳水化合物中，醚键（C―O―C）和羰基（C═O）的脱碳作用生成CO。此外，在脂质的微波辅助热解过程中，由于端链裂变反应，很容易形成CH₄。

图3 （a）温度和（b）瞬时加热速率曲线。（c）三相产物分布以及（d）三相产物产率的协同程度。PC、PL和CL分别表示蛋白质和碳水化合物、蛋白质和脂质、碳水化合物和脂质的共热解。

在蛋白质和碳水化合物的微波辅助共热解过程中，蛋白质产生的含氮中间产物（R―NH₂、NH₃和NH₂自由基（NH₂*））与碳水化合物产生的醇、醛、酮和羧酸类化合物通过美拉德反应等反应促进了含氮化合物和酰胺的生成。这对生物油中含氮化合物的含量产生了促进作用，而对含氧化合物和碳氢化合物的含量产生了抑制作用。当蛋白质和脂质共热解时，脂质裂解产生的酸与NH₃/NH₂*反应，促进了酰胺的生成。其中，长链酰胺可以发生脱水反应生成腈类化合物。此外，由于脂质中氢元素含量（11.00 wt %）较高，脂质的微波辅助热解可以产生大量的氢自由基，促进生物油的脱氮。因此，该过程抑制了蛋白质和脂质共热解生物油中含氮化合物的生成，而增加了含氧化合物和碳氢化合物的含量。此外，在碳水化合物和脂质共热解过程中，脂质的裂解加剧，导致大量长链脂肪酸的生成。然后，这些长链脂肪酸可以和碳水化合物产生的醇和酚发生反应，促进了酯类化合物的生成。

图4 富蛋白质生物质的主要组分在微波辅助热解过程中的相互作用机制示意图。Y_BC：生物炭产率；Y_BO：生物油产率；Y_G：气体产率；C_NC：生物油中含氮化合物的相对含量；C_OC：生物油中含氧化合物的相对含量；C_H：生物油中碳氢化合物的相对含量；HR：平均加热速率；IHR_m：最大瞬时加热速率。红色向上箭头表示两者的相互作用对该指标存在促进作用，黑色向下箭头表示两者的相互作用对该指标存在抑制作用。

论文通讯作者为张亚雷教授和沈峥研究员，第一作者为博士研究生侯琤。上述研究得到了政府间国际科技创新合作重点项目（2022YFE0120600）、上海市科技委员会（23dz1203700，22002400100）、中国国家自然科学基金（U21A20322）、中国宝武低碳冶金创新基金（BWLCF202105）的资助。