组分分离方法：离心和极性分布

目前，还没有合适的技术来完全检测并表征生物油的组成，而且生物油中某些化合物的浓度很低，难以检测。生物油的预分离可以简化生物油的组成，富集一些适合于某些表征技术的化合物，有利于后续生物油的改性和化学提取。生物油的分离技术主要有膜分离、离心分离、萃取、柱层析、蒸馏、分步冷凝等。

4.4.3.1　热解木质素提取

生物质热裂解淬冷后得到的生物油通常是均匀的，通常含水量可达30%。生物油很容易分成两部分：水溶性部分和较重的热解木质素部分。向生物油中加入更多的水可以分离热解木质素组分，其中大部分由与木质素类似的酚类聚合物组成，但分子量较小。热解木质素是高分子量化合物，很难进行表征，特别是在气相色谱分析中，高分子量化合物很难蒸发，很容易沉积在气相色谱柱中。首先将生物油分为水相和有机相，往往有助于生物油的分析。水溶性化合物，如羧酸、酮类、醛类、单酚类化合物和糖，容易溶解在生物油的水相中。有机相中主要为分子量较高和极性较小的化合物，如热解木质素，它们的水溶性较差。在持续剧烈搅拌下将生物油滴入水中有利于提取热解木质素，可获得占生物油总质量13.5%～27.7%的热解木质素。

热解木质素的含氧量较低，是一种比水溶性木质素更好的液体燃料原料。Wang等人探索了从生物油的水不溶相中多步分离单酚和热解木质素的方法。他们采用酸碱溶液和有机溶剂相结合的方法进行分离。碱性溶液中总酚的相对含量为94.3%，愈创木酚的相对含量为48.3%。

向生物油中添加少量盐（生物油总质量的3%）或溶液（生物油总质量的10%）可导致快速相分离（顶部相总质量的40%～80%，底部相总质量的20%～60%）。这两相的比例取决于盐的添加量及其用量。一些极性相似的化合物集中在不同的相态，如上层的乙酸、醇和其他水溶性化合物，底层的木质素热解化合物。上层含水量高，醋酸和水溶性化合物含量高，密度和黏度低，热值低，可蒸馏物质含量高（高达65%）；底层含水量低，木质素衍生化合物含量高，黏度和热值高，可蒸馏物质含量低（＜10%）。盐的性质和用量对两相物化性质和组分组成有影响。加入清水（质量为生物油的10%）可导致底相含量极低（5%）。水盐溶液的加入破坏了氢键，增强了水相的极性，导致木质素胶束的团聚和分离。

4.4.3.2　薄膜分离和离心分离

我们知道，生物油中含有不同大小的焦颗粒。疏水性的焦颗粒被生物油中的有机化合物所包围。薄膜分离技术可以根据薄膜的渗透选择性来分离、纯化、浓缩和精制化合物。薄膜可在室温下使用，成分损失小，无相变和化学变化，选择性好，非常适用于分离热敏物质。它们还可用于去除生物油中的固体颗粒。用微米级薄膜可以去除大分子和固体颗粒。采用0.5μm的薄膜过滤时，大部分焦颗粒被排除，生物油中的灰分含量下降约60%，同时保留了生物油的化学成分。离心分离常用于将生物油分离为水相和有机相。尽管当含水量较低时，生物油是均匀的，但在离心分离过程中会发生分层。

4.4.3.3　提取和柱层析

采用溶剂萃取法可以得到生物油中极性和结构相似的化合物。根据极性分布，调整不同溶剂的比例，进一步分离提取组分。用这种方法可以得到更多的纯化化合物。Ma等人首次采用不同极性的溶剂提取家禽粪便热解生物油，发现中低极性组分的黏度下降，正己烷抽提物主要成分为油酸和甾醇，甲苯抽提物中含有十八酸和亚麻酸，氯仿抽提物中含有左旋葡聚糖和1，4-脱水木糖，甲醇可溶物中含有左旋葡聚糖、1，4-脱水木糖和葡萄糖；在随后的色谱分析中，得到了高纯度愈创木酚、丁香醇、左旋葡聚糖、木糖、葡萄糖、亚油酸等化合物，大大简化了生物油的组成。

由于热解木质素的非均质性和萃取过程中的高耗水性，将水萃取与有机溶剂或酸碱溶剂萃取相结合，可以进一步分离出具有不同活性的热解木质素，便于进一步分析。水与其他低沸点有机溶剂相结合，可以实现化合物的高效分离。低极性有机溶剂，包括正己烷、环己烷、石油醚和甲苯，常用于提取低极性的烃类和苯系物；二氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯等中等极性有机溶剂对单酚类化合物有较好的萃取效果；甲醇、乙醇、四氢呋喃等极性强的溶剂具有完全溶解生物油的能力。

Oasmaa等利用正己烷提取生物油并得到5.5%的可溶性物质。随后，水萃取产生水溶性相和水不溶性相。用二氯甲烷和乙醚进一步提取水溶性相。结果表明，二氯甲烷和乙醚抽提物中含有50%的醛、25%的酮和25%的木质素降解产物。水不溶性相主要为热解木质素，占生物油的20%。二氯甲烷由于对酚类化合物具有较高的选择性，特别是与其他预分离方法结合时，常被用于生物油抽提物中。利用酸碱溶剂控制pH值，可以对酚类化合物进行详细的定量或半定量分析。将pH值控制与二氯甲烷萃取相结合，得到酚类化合物含量为94.33%。结果表明，以二氯甲烷为萃取溶剂，在高pH值下，分离组分的愈创木酚类化合物的含量达到48.27%

超临界流体萃取由于能够通过调节压力和温度来调节其溶解能力，从而实现对化合物的选择性萃取而备受关注。在45℃和25 MPa条件下，三种萃取物中主要聚集低分子量的含氧苯类化合物、碳氢化合物和脂肪酸。在30 MPa下萃取得到的组分中，十六酸（44%）和含氧苯类化合物（16%）比在25 MPa下得到的组分多。因此，有价值的化合物，如呋喃、吡喃和苯化合物，可以在高浓度的无水萃取阶段富集。在随后的研究中，发现在10 MPa和25 MPa条件下得到的油馏分含有更多的呋喃、吡喃和苯化合物，而在30 MPa条件下得到的油馏分含有更多的高分子量脂肪酸和醇。研究人员将超临界CO2萃取、液态CO2萃取和溶剂萃取的生物油进行对比，发现超临界CO2萃取和液态CO2萃取的组分相似。酸、酮、呋喃、酯等无苯环化合物在CO2萃取馏分中有较好的富集效果，而生物油中几乎所有的芳香族化合物都可以用正己烷萃取。(www.xing528.com)

与传统的萃取和色谱法相比，超临界萃取法具有较高的萃取率，对低极性化合物有较好的选择性，而残渣组分中保留了高极性的水和有机物。柱层析法根据固定相上不同的吸附容量来分离物质。其萃取原理与溶剂萃取相似，对医药、食品、天然产物和石油化工产品的分离具有重要作用。柱层析法可以分离出结构或性质相似的化合物。影响该分离方法的因素很多，包括吸附剂、样品、淋洗液、分离分析条件等。常用的吸附剂有硅胶、氧化铝（中性、酸性、碱性）、活性炭、大孔树脂、离子交换树脂和十八烷基硅烷（C18）。在选择吸附剂和分离条件时，应考虑目标化合物的特性。色谱分离通常通过选择不同的溶剂或溶剂调配体系来实现生物油的粗、精分离。溶剂类型从低极性溶剂如烷烃到高极性溶剂如醇和水均有。用不同溶剂在硅胶上洗脱生物油样品，可得到5种组分，总回收率达98.35%。从一维和二维气相色谱的表征结果发现：丙酮和甲醇主要洗脱极性化合物，如糖、酮和酚类化合物，产率很高；甲苯和二氯甲烷洗脱中低极性化合物，如烃类和醇类，产率较低；少量非极性脂肪烃（3.5%）被戊烷洗脱。由于柱层析法和溶剂萃取法的原理相似，因此它们经常结合应用以获得高分辨率的样品成分。

固相微萃取是生物油的另一种预处理方法。生物油样品首先吸附在某些吸附剂上，然后用溶剂或高温解吸。之后，样品可直接导入气相色谱、气相色谱-质谱和液相色谱等检测设备。该方法只需少量原料，不需要萃取过程，适用于挥发性和非挥发性物质的分析，重现性好。它能有效地初步分离生物油，便于后续检测。固相微萃取的关键是在石英纤维（吸附剂）上选择吸附目标化合物的涂层。为了防止不相关化合物和溶剂的吸附，应选择具有类似极性目标化合物的涂层。

4.4.3.4　蒸馏

由于生物油化合物的沸点跨度很宽，蒸馏被认为是一种在分析之前分离生物油组分的策略，就像在石化工业中那样。然而，与石油不同的是，生物油对热很敏感，因此在传统的蒸馏方法中，温度的选择非常重要。蒸馏曲线在常压下呈“S”形，可分为低温沸腾段和高温沸腾段。低温沸腾段去除了水，有效地提高了有机物的浓度。在150℃时，曲线突然进入高温沸腾区，开始发生聚合反应，并观察到结焦现象。建议将生物油在240℃以上加热后的残焦与生物质共热解，以提高生物油收率。所得低分子量化合物的回收率可达80%以上，包括乙酸、丙酸和糠醛，但蒸馏馏分中新发现的化合物也表明蒸馏过程中发生了化学反应，不利于进一步的表征和鉴定。通过减压蒸馏可以在较低的温度下分离生物油，降低化合物的沸点。在这种情况下，聚合反应以及高分子量化合物的形成受到一定程度的抑制。

与常压蒸馏法相似，减压蒸馏法在低温蒸馏馏分中检测到苯衍生物（约20%）和其他含氧化合物（约18%）。然而，中温蒸馏组分与常压蒸馏组分有很大的不同，其中酚类化合物较多。

分子蒸馏是根据化学物质平均自由程长度的差异来实现分离的。分子运动的平均自由程长度主要与环境压力、温度和有效分子直径有关。在一定的温度和压力下，当液体混合物被加热时，具有足够能量的分子可以从液体表面逸出。当相应的平均自由程长度大于冷却面与加热面之间的距离时，低分子量化合物会不断地从液体表面逸出，然后在冷却面上凝结。高分子量化合物的平均自由程比冷却面和加热面之间的距离短，因此它们不能到达冷却面，而只能返回液相。这样就实现了不同分子的有效分离。

分子蒸馏装置结构独特，具有真空度高、操作温度低、加热时间短、分离度高、产品收率高等一系列优点。该方法适用于沸点高、热稳定性差的生物油的分离和表征。通过改变温度、压力和分离级数，分子蒸馏可以实现生物油组分的精细划分。结果表明，与传统蒸馏相比，分子蒸馏在低温、高真空度下可获得较高的馏出物收率。分子蒸馏技术实验结果表明，低分子量化合物具有较强的挥发性和高反应性，酸、酮和一些单酚类化合物由于分子自由程长，主要富集在轻馏分中，而糖和热解木质素等高分子量化合物则富集在重馏分中，重馏分几乎不含水。由于分子自由程长度不仅与化合物分子的直径有关，而且还与相应的环境有关，因此提高蒸发温度和降低蒸发压力可以进一步富集轻馏分中的高分子量化合物，轻馏分可以用气相色谱更好地表征，而重馏分需要进一步分离才能除去高分子量热解木质素，然后再分别表征。利用液相色谱（LC）和核磁共振（NMR）方法可以对热解木质素中的糖类进行鉴定，分子蒸馏法是最有前途的生物油分离方法之一，因为它能在保持生物油原有特性的前提下实现高效分离。

分馏也被认为是稳定生物油的物理手段之一。通过控制热解后的冷凝温度，可以选择性地回收可冷凝蒸气的特定组分。通过将第一阶段的温度从345℃降低到102℃，并将最后阶段的温度控制到18℃，水和酸在最后阶段被浓缩，而木质素衍生的油和糖基化合物大部分在第一和第二阶段被回收。研究人员比较了将洗涤器/冷凝器温度从36℃调整到66℃在液体回收过程中进行分馏和使用25%含水量而不是10%含水量的原料通过自发相分离进行分馏。通过控制洗涤器温度，生物油的含水量从24%下降到7%，伴随着轻挥发性化合物的损失、酸度的降低和黏度的增大。木质素和糖衍生的部分之间的分馏是通过自发相分离模式实现的，这种分离模式是由原料中初始含水量的增加引起的。

4.4.3.5　冷凝

由于生物油各组分的冷凝温度不同，可以通过分步冷凝来富集冷凝温度相近的物质。分步冷凝主要有两种方式。一种是控制冷却液温度的回热直接冷凝；另一种是对不溶解生物油的液体进行温度控制的淬冷，然后通过蒸馏获取生物油，此外静电捕集还可以收集气溶胶形式的生物油。在实验室中，还可以采用干冰或液氮制取生物油。Pollard等人开发了一种多级冷凝系统，用于收集生物油的不同组分。在设计的五级收集装置中，冷凝温度从85℃降低到18℃，同时还有两级静电除尘器（ESP）捕集装置。生物油的含水量在前四个阶段仅降低到6%～15%，而在最后一个阶段则高达63.3%。在高温缩合阶段可收集到左旋葡聚糖、5-羟甲基糠醛、烷基酚、愈创木酚、丁香基和苯二醇，而在低温缩合阶段可富集乙酸、糠醛和小分子量酮等水溶性物质。