畜禽养殖业的迅猛发展,在带动经济快速增长的同时,产生的畜禽粪便也引发了日益严重的环境污染问题。畜禽粪便组成成分复杂,主要包含纤维素、半纤维素、木质素以及一定量的粗蛋白和粗脂肪,此外,还含有很多病原菌、寄生虫卵和重金属等,倘若处理不当易对人畜健康造成危害。利用水热处理技术可以实现其无害化高效转化以及高值化利用。基于此,本文选用牛粪为原料,利用水热技术将其转化为品位较高的水热炭、高附加值组分繁多的生物油以及无机营养成分丰富的水相产物,深入研究牛粪水热处理的反应机理以及不同反应参数对产物特性的影响,并对其高值化应用进行初步探索,为高含水量畜禽粪便生物质的资源化和高值化利用提供理论基础。主要研究结论如下:(1)首先系统研究反应温度、停留时间以及液固比对牛粪水热炭产率的影响,结果表明反应温度对产炭率影响最为显著,且与停留时间和液固比之间并不存在交互作用。其次,着重分析反应温度对牛粪水热产物特性的影响,水热炭化过程主要沿着脱水和脱羧路径进行,水热炭产率随温度的升高逐渐降低。利用SEM、FTIR、XPS、Py-GC/MS分析发现240℃水热炭中存在炭微球结构,表面含有丰富的含氧活性官能团,其裂解主要挥发性产物包括醛类、酮类、酯类、酸类、呋喃类、烃类、糖类和酚类化合物。利用GC-MS分析发现,牛粪生物油中主要包含醛类、酚类、酮类、酸类、其他小分子和杂环类化合物,280℃生物油中酚类化合物含量最大。(2)通过设计正交试验,并结合主成分分析法,以固体产物和液体产物的总养分含量为指标,研究反应温度、停留时间和液固比对无机营养元素在产物中迁移分布的影响。结果表明,温度对固体产物总养分浓度的影响最为显著。温度和液固比对液体产物总养分浓度的影响均显著。固体产物中N的浓度随着温度的升高而增大,K和Na离子浓度逐渐减小,P和Ca、Mg等金属离子浓度逐渐增大。液体产物中氨态氮的相对浓度随温度的升高而增大,随液固比的减小而减小,磷则主要以可溶性正磷酸盐的形态存在于液体产物中,这为水相产物的进一步开发利用提供了依据。(3)萃取方法是水热处理过程中不同相产物分离的关键。本文研究了不同萃取剂及其添加量对牛粪水热炭和生物油特性的影响。经萃取后水热炭产率均降低,生物油产率均升高,且极性试剂萃取后水热炭产率和生物油产率变化幅度更大。随着萃取剂添加量的增多,水热炭产率不断降低,生物油产率则逐渐增加。SEM和FTIR分析表明极性试剂萃取所得水热炭表面呈现大量团簇状炭微球分布,且其表面含有丰富的含氧活性官能团,而非极性试剂萃取所得水热炭炭微球则并未分散。极性试剂萃取所得生物油中主要包括酮类、酚类、酸类以及含N化合物,而非极性试剂萃取所得生物油主要由酚类、酯类、烃类以及芳香族化合物组成。萃取剂的使用实现了不同相产物有目的性地分离,为产物的进一步开发利用打下了基础。(4)研究两步水热处理对牛粪水热产物特性的影响。低温水热炭化阶段,总氮减少率随温度升高而降低。高温水热处理阶段,随着温度的升高和停留时间的延长,低温水热炭水热处理和牛粪水热处理反应路径明显不同。低温水热炭经高温水热处理后所得水热炭表面仍存在大量炭微球,且结构较为稳定,而牛粪水热炭表面炭微球随着温度的升高逐渐消失,最终形成叶片状表面结构。高温生物油包含更多的酸类、醇类和醛类化合物,牛粪生物油中酯类、酚类、酮类、烃类以及含氮类化合物含量更高。两步水热处理在保持水热炭良好特性的同时,在一定程度上改善了生物油的品质,为生物质水热处理提供了新的思路。(5)以270℃牛粪水热炭为反应底物,利用KOH对其进行活化处理制备活性炭材料,并对其电化学性能进行测试分析。随着活化温度的升高,所得牛粪水热炭基活性炭的比表面积先略微增大后减小,活性炭中中孔结构随温度的升高而减少。牛粪水热炭基活性炭中炭微球结构消失,出现多孔片层状结构,活性炭材料石墨化程度提高,表面以C-O、-OH和-COO等含氧官能团为主,亲水性显著提升。电化学性能测试表明,3种活性炭材料中活性炭AC-600-1:1性能最好,5000次循环充放电测试后,质量比电容保持率到达88.67%,展现出较好的循环稳定性。整体来看,牛粪水热炭基活性炭电化学性能并不突出,但在超级电容器应用方面仍展现出一定潜力。