废葵花籽油制备生物柴油添加纳米颗粒对柴油机性能与排放的影响：突破与展望

为解决生物柴油在柴油机中性能欠佳、排放问题突出等难题，研究人员开展了将废葵花籽油转化为生物柴油（BD），并添加 TiO2和 CuO 纳米颗粒对柴油机性能和排放影响的研究。结果表明添加纳米颗粒可改善性能与排放，为生物柴油应用提供参考。

　　在当今能源与环境问题日益严峻的时代，石油柴油（PD）作为汽车发动机的主要能源，其广泛使用带来了诸多麻烦。一方面，PD 对环境造成严重污染，汽车尾气排放中的有害物质，如一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO_x）等，是大气污染的重要来源，威胁着人们的健康。另一方面，PD 资源逐渐枯竭，价格不断攀升，这使得寻找一种可持续的替代能源迫在眉睫。生物柴油（BD）凭借其高十六烷值、可生物降解以及高氧含量等优点进入人们的视野，它在降低发动机爆震和减少部分排放方面表现出色。然而，BD 在柴油机中的应用并非一帆风顺，其存在发动机效率低下、冷启动困难以及 NO_x排放增加等问题，这些缺陷限制了 BD 的大规模应用。

为了攻克这些难题，来自国外的研究人员开展了一项具有重要意义的研究。他们将废葵花籽油通过转酯化法转化为 BD，然后研究添加 TiO₂和 CuO 纳米颗粒对四冲程单缸柴油机性能和排放的影响，并与 PD 进行对比。该研究成果发表在《Circular Economy》上，为生物柴油的发展提供了新的思路和方向。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先，利用 X 射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）对 CuO 和 TiO₂纳米颗粒进行表征，确定其晶体相和粒径。其次，通过转酯化过程将收集的废葵花籽油转化为 BD，并使用机械搅拌等方式确保纳米颗粒均匀分散在 BD 中。最后，利用液压测功机连接发动机测试其性能，采用气体分析仪和玻璃纤维等设备测量废气排放和颗粒物（PM）排放。

在纳米颗粒表征方面，研究人员通过 XRD 分析发现，TiO₂为四方锐钛矿相，CuO 为单斜晶系的黑铜矿相。TEM 图像显示，TiO₂和 CuO 纳米颗粒的平均投影面积直径分别约为 29（±10）nm 和 28（±12）nm，比表面积分别为 20.0（±1）和 23（±1）m²/g ，这些相似的特性为后续研究纳米颗粒对 BD 性能的影响提供了良好的对比基础。

在发动机性能测试中，研究人员发现 BD 的制动特定燃油消耗（BSFC）、制动特定能量消耗（BSEC）比 PD 高，这主要是因为 BD 的低热值和高粘度。但添加纳米颗粒后，情况有所改善。例如，TiO₂纳米颗粒使 BD 的 BSFC 在不同负载下降低了 11.2% - 11.8%，CuO 纳米颗粒使其降低了 15.5% - 15.7% 。在制动热效率（BTE）方面，BD 的 BTE 低于 PD，但添加纳米颗粒后有所提升，其中 TiO₂纳米颗粒效果更明显。此外，使用 BD 和添加纳米颗粒的 BD 燃料可降低发动机噪音，这得益于 BD 的低热值和高氧含量，以及纳米颗粒添加后增加的氧含量。

废气排放测试结果表明，BD、添加 TiO₂和 CuO 纳米颗粒的 BD 燃料均能显著降低 HC、CO 和 PM 排放。如 BD 的 HC 排放相比 PD 降低了约 85.3% - 90.0%，添加纳米颗粒后，降低幅度更大，TiO₂纳米颗粒使 HC 排放降低了约 87.0% - 92.0%，CuO 纳米颗粒使其降低了约 86.7% - 91.0% 。然而，使用 BD 和添加纳米颗粒的 BD 燃料会增加 CO₂和 NO_x排放。不过，CuO 纳米颗粒在降低 NO_x排放方面表现更优，这与其较低的氧含量和良好的热传递能力有关。

综合来看，该研究意义重大。一方面，研究结果表明添加金属氧化物纳米颗粒可以有效改善生物柴油在柴油机中的性能，降低有害气体排放，为生物柴油的实际应用提供了有力的技术支持。另一方面，利用废葵花籽油制备生物柴油，符合循环经济的理念，既实现了废弃物的资源化利用，又减少了对环境的压力。尽管研究取得了一定成果，但未来生物柴油的发展仍面临诸多挑战，如转酯化过程的规模化、废油收集方法的优化、NO_x排放的进一步控制以及公众对生物柴油接受度的提高等。希望后续研究能够在这些方面取得突破，推动生物柴油成为石油柴油的理想替代能源，为实现能源可持续发展和环境保护目标做出更大贡献。