日前，在《藻類研究》（Algal Research）這本期刊上最新發(fā)表了一片論文，研究人員模仿了在高溫高壓的深層地殼環(huán)境下史前植物材料轉(zhuǎn)化成化石燃料的過(guò)程。
藻類，一種水生植物，一直以來(lái)都被認(rèn)為是生物燃料的來(lái)源，但是要將潮濕的綠色植物轉(zhuǎn)變成干凈可燃的燃料，其過(guò)程所需的步驟既昂貴又費(fèi)時(shí)。研究人員將藻類經(jīng)過(guò)一系列的操作處理，其中涉及一個(gè)干燥的過(guò)程，需要除去所有水分，這其中可能涉及 80％ 的生物量。最終，他們利用有機(jī)溶劑從干燥的物質(zhì)中提取出能源豐富的烴（碳?xì)浠衔铮?/span>
美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的研究團(tuán)隊(duì)一口氣完成了這個(gè)制作過(guò)程，他們從整個(gè)試驗(yàn)所需的大量濕海藻開(kāi)始，經(jīng)過(guò)不間斷地處理水分、藻類以及所有的中間產(chǎn)物，甚至是350 ℃ 和3000 psi 的高溫高壓條件控制，最終濃縮出了藻類原油。
“這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)像在使用高壓鍋，不過(guò)我們使用的壓力和溫度更高罷了”，實(shí)驗(yàn)室的研究小組負(fù)責(zé)人道格拉斯·埃利奧特表示，“從某種意義上說(shuō)，我們復(fù)制了藻類在地殼中經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的數(shù)百萬(wàn)年轉(zhuǎn)化形成石油的過(guò)程，只是我們比它演化得更快、更多。”
這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的主要產(chǎn)品包含原油，它可以進(jìn)一步精煉成航空燃料、汽油或柴油燃料（測(cè)試過(guò)程中，藻類 50? 70％ 的碳成功轉(zhuǎn)化成烴燃料）。過(guò)程中排出的干凈水可以用于更多藻類的種植，產(chǎn)生的燃料氣體可以用于燃燒發(fā)電，甚至可以精煉成天然氣。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷、鉀等產(chǎn)物同時(shí)也是種植藻類需要的養(yǎng)分。
從 2008 年起，Genifuel 公司一直與這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)，現(xiàn)在他們已獲得這一制作過(guò)程的授權(quán)。該公司計(jì)劃與一些工業(yè)合作伙伴建造一個(gè)試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)工廠，將這個(gè)生產(chǎn)工藝投入到大規(guī)模的生物燃料制作過(guò)程中。
新技術(shù)稱濃縮藻類黏液一小時(shí)內(nèi)可變?yōu)樵?/span>
也許在未來(lái)的某一天，飛機(jī)、貨車和小轎車都會(huì)用類似塘泥的物質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)加速。一項(xiàng)新的技術(shù)稱，在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，濃縮的藻類黏液就可以轉(zhuǎn)化成生物原油。
這種黏液由水和藻類組成，后者的重量占總重的10%到20%。在轉(zhuǎn)化的時(shí)候，黏液被連續(xù)輸送進(jìn)一個(gè)高科技?jí)毫﹀仯亙?nèi)的溫度大約為350攝氏度，壓強(qiáng)達(dá)到近204個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。高溫高壓可以使混合物保持液態(tài)。
美國(guó)國(guó)家能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員道格拉斯·埃利奧特(Douglas Elliott)說(shuō)，在壓力鍋內(nèi)，一些“其他人還沒(méi)有掌握的技術(shù)”將會(huì)使植物中脂類與其他礦物質(zhì)，如水中的磷等分離出來(lái)。
一個(gè)小時(shí)之后，在重力作用下，原油與水完全分離，并流向另一端。道格拉斯·埃利奧特說(shuō)：“我們可以對(duì)這些原油進(jìn)行純化，制成液態(tài)烴，并最終取代汽油、柴油和噴氣燃料等石油制品。”未來(lái)的水處理步驟甚至可以從剩下的植物原料中回收甲烷——本質(zhì)上就是天然氣。另一方面，分離之后留下的富含氮的水，以及回收的磷等礦物質(zhì)，都可以用來(lái)生產(chǎn)更多的藻類。
道格拉斯·埃利奧特及其同事有關(guān)處理過(guò)程的論文已經(jīng)被《藻類研究》(Algal Research)雜志接收?？偛课挥讵q他州的生物燃料公司Genifuel集團(tuán)也已經(jīng)獲得該技術(shù)的許可，正在與工業(yè)伙伴合作建立一個(gè)試驗(yàn)工廠。
重新啟用的技術(shù)
道格拉斯·埃利奧特及其同事用來(lái)生產(chǎn)生物原油的技術(shù)被稱為“水熱液化技術(shù)”，在20世紀(jì)70年代，該技術(shù)一度非常前沿。不過(guò)，后來(lái)研究者們的興趣逐漸轉(zhuǎn)到培養(yǎng)高脂類含量的藻株上，這一技術(shù)便遇到了冷落。
為了從這些產(chǎn)量較高的藻類中獲得原油，需要先對(duì)藻類進(jìn)行干燥，然后進(jìn)行提取。提取的過(guò)程耗能很高，因而十分昂貴。水熱液化技術(shù)“具有能完全利用整個(gè)藻體的優(yōu)點(diǎn)，因此具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴辉傩枰獑渭冏非笾惡康姆e累，或脂類的提取了，”倫敦咨詢公司FTI Counslting的能源分析師阿里斯·卡坎尼亞斯(Aris Karcanias)說(shuō)，“此外，也不再需要為藻類干燥耗費(fèi)大量能源了?！?/span>
盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但道格拉斯·埃利奧特解釋說(shuō)，直到現(xiàn)在，該技術(shù)的大部分演示都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的間歇式反應(yīng)器中完成的。這就意味著，研究團(tuán)隊(duì)每次只能獲得一批原油。除此之外，他們還要用化學(xué)溶劑將水與油分離。利用論文中所描述的連續(xù)過(guò)程，埃利奧特說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，如果控制得當(dāng)?shù)脑?，我們就不再需要這些化學(xué)步驟了。”
前方的挑戰(zhàn)
據(jù)道格拉斯·埃利奧特介紹，藻類生物能源要想在全球能源市場(chǎng)中占有一席之地的話，就必須具備高效的藻體生產(chǎn)能力，從而保證有足夠的原料用于轉(zhuǎn)化成生物燃料。另一方面，從藻類中提取的原油在使用上也有一些監(jiān)管的障礙，在是否允許這些燃料與石油燃料混合，或者是否可以替代石油燃料的問(wèn)題上，都需要重新起草標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。埃利奧特解釋道：“事實(shí)上，二者看起來(lái)確實(shí)有點(diǎn)不一樣，而且在性質(zhì)上也稍有不同?！?/span>
據(jù)阿里斯·卡坎尼亞斯介紹，除了正在與美國(guó)能源部進(jìn)行合作的Genifuel集團(tuán)之外，其他一些追逐藻類生物能源技術(shù)的公司也值得關(guān)注，包括藍(lán)寶石能源公司(Sapphire Energy)、Cellana公司和合成基因組公司(Synthetic Genomics)等。
關(guān)于這一產(chǎn)業(yè)，阿里斯·卡坎尼亞斯說(shuō)：“未來(lái)的研究需要在連續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)上提高藻類原油的產(chǎn)量，并展示廢水處理和優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的能力?！比绻@些都能做到商業(yè)規(guī)模，“那將是非常重要而且十分有用的一步?！彼a(bǔ)充道。
綠色石油新工藝
美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory；下簡(jiǎn)稱PNNL）的科學(xué)家宣稱，他們成功完善了一種將藻類轉(zhuǎn)化為原油的新工藝，方法是對(duì)藻類原料進(jìn)行30分鐘的“高壓蒸煮”。這種工藝名為“水熱液化”，也適用于其他有機(jī)物流（如城市污水）的處理。由此產(chǎn)生的是輕質(zhì)低硫原油，可加入處理化石原油的煉油爐，得到進(jìn)一步的提煉。
“這有點(diǎn)像使用高壓鍋，只不過(guò)我們所采用的壓力和溫度都要高得多，”研究員道格拉斯·艾略特（Douglas Elliott）在一份聲明中說(shuō)，“從某種意義上說(shuō)，我們復(fù)制了地球在幾百萬(wàn)年中將藻類轉(zhuǎn)化為石油的過(guò)程。只不過(guò)我們大大加速了這一過(guò)程?！?/span>
科學(xué)家找到藻類變?cè)偷耐緩绞窃缤淼氖?。畢竟，我們?nèi)缃駨牡叵麻_(kāi)采出來(lái)的大部分石油，都是由藻類和其他海洋植物形成的，它們先在海底堆積幾千年，然后再經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的高溫高壓，最終轉(zhuǎn)化成石油。
但要找到經(jīng)濟(jì)適用之道就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了。50年前，研究員們就開(kāi)始在麻省理工學(xué)院（MIT）的樓頂上種植藻類。最近的2009年，?？松梨冢‥xxonMobil）與克雷格·文特爾（Craig Venter）的合成基因組學(xué)公司（Synthetic Genomics）聯(lián)合設(shè)立研究機(jī)構(gòu)，重新點(diǎn)燃了藻類變石油的可能性。假如文特爾（人類基因組解碼第一人）能夠找到或通過(guò)基因工程構(gòu)造一種特殊藻類，使之通過(guò)生物機(jī)制制造石油，那么?？松梨趯⒛贸?億美元的贊助。但很遺憾，文特爾在幾年后中斷了這一研究。藻類含油量實(shí)在太低，無(wú)法成為商業(yè)上可行的原油來(lái)源。
而新一代科學(xué)家們表示，這些都是無(wú)稽之談：?jiǎn)栴}不是要找到一種含油豐富的藻類，而是要找到能將任何藻類轉(zhuǎn)化為石油的工藝，Genifuel公司CEO吉姆·奧耶勒（Jim Oyler）說(shuō)，他已與道格拉斯·艾略特等PNNL研究人員密切合作多年，并給這項(xiàng)技術(shù)頒發(fā)了許可。“我們已經(jīng)證明了這一技術(shù)的可行性。”他說(shuō)。
各學(xué)術(shù)期刊近期不少文章似乎都能為其提供佐證。在由愛(ài)思唯爾出版社（Elsevier）出版的《藻類研究：生物量、生物燃料和生物制品》（Algal Research: Biomass, Biofuels and Bioproducts）10月刊中，你可以讀到PNNL研究人員發(fā)表的多篇論文，其中一篇就名為《連續(xù)流反應(yīng)器中藻類原料水熱液化工藝的研發(fā)》（Process development for hydrothermal liquefaction of algae feedstocks in a continuous-flow reactor）。另外，俄亥俄州立大學(xué)（Ohio State）、丹麥奧胡斯大學(xué)（Aarhus University）和澳大利亞悉尼大學(xué)（University of Sydney）也進(jìn)行了類似的研究。
其中大多數(shù)論文都充斥著專業(yè)術(shù)語(yǔ)。好在奧耶勒給我作了一番耐心的講解。首先，將藻類與水混合?；旌弦褐性孱惖睦硐氡戎卮蠹s為20%。然后將混合液緩緩注入一根長(zhǎng)長(zhǎng)的管道之中，在349攝氏度和20.7兆帕氣壓的環(huán)境中保持30分鐘，同時(shí)不斷攪拌。30分鐘后，高壓鍋已將藻類（或其他原料）分解，并形成原油。
據(jù)PNNL研究稱，每添加100磅的藻類原料，該系統(tǒng)就能產(chǎn)出53磅的“生物原油”。這種原油在化學(xué)組成上與輕質(zhì)低硫原油十分接近，是一種復(fù)雜混合物，包括一系列碳原子數(shù)在15～22的輕質(zhì)、重質(zhì)化合物，以及芳烴、酚類、雜環(huán)化合物和烷烴。
并不是所有的有機(jī)物最終都轉(zhuǎn)變成了原油。這一過(guò)程還產(chǎn)出了由二氧化碳、氫氣和氧氣，很容易得到合成天然氣，可以通過(guò)燃燒產(chǎn)熱并發(fā)電。
剩下的還有富含植物營(yíng)養(yǎng)素（氮、磷、鉀）的水，這些營(yíng)養(yǎng)素原先存在于藻類之中，這種水可以賣回藻類養(yǎng)殖場(chǎng)作為肥料。
“不用對(duì)藻類進(jìn)行干燥處理是該工藝的一大突破，這大大降低了成本，”艾略特在一份聲明中稱，“還有其他額外好處，比如可以將水中的可用氣體提取出來(lái)，再將剩余的水連同養(yǎng)分進(jìn)行回收再利用，幫助種植更多的藻類，這又進(jìn)一步降低了成本?！?/span>
研究人員推測(cè)，按照現(xiàn)在一噸幾百美元的藻類價(jià)格，他們制造相當(dāng)于汽油的藻基燃料的成本低于每加侖5美元。
而藻類只是原油來(lái)源中可行性最大的一種。同樣的工藝還能用來(lái)對(duì)各種有機(jī)廢物——如糞便、城市污水、蔬菜堆肥乃至魚(yú)頭——進(jìn)行原油化處理。奧耶勒說(shuō)，其實(shí)，如果該技術(shù)可以成功擴(kuò)大到商業(yè)化規(guī)模，那么單是人類排泄物提取的燃料就足以供應(yīng)全球10%的石油需求。
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