蛋壳源CaO@TiO2 纳米催化剂在绿色生物柴油生产中的高效应用研究

本研究针对化石燃料短缺与环境污染问题，创新性地利用蛋壳提取的CaO与TiO2 复合纳米催化剂（TiO2 @ECaO ），通过响应面法（RSM）优化废大豆油（WSO）转酯化反应，实现生物柴油（WSOBD）产率93.73%。该催化剂稳定性优异（6次循环后产率69.54%），活化能（Ea ）为63.87 kJ/mol，且成本效益显著，为可持续能源开发提供新策略。

　　

随着全球能源危机加剧和环境污染问题日益严峻，寻找可替代化石燃料的绿色能源成为当务之急。化石燃料的过度开采和使用不仅导致资源枯竭，还释放大量二氧化碳等温室气体，加剧气候变化。据预测，到2040年全球燃料油日消耗量将达1.094亿桶，柴油需求也将激增至570万桶/日。在此背景下，生物柴油因其可再生性、环境友好性和燃烧效率高等优势备受关注。然而，传统生物柴油生产面临原料成本高、催化剂效率低等问题。

为解决这些挑战，来自阿里格尔穆斯林大学的研究团队创新性地利用废弃蛋壳提取的氧化钙（CaO）与二氧化钛（TiO₂
）复合，开发出一种高效纳米催化剂（TiO₂
@E_CaO
），用于废大豆油（WSO）转酯化生产生物柴油。这项研究发表在《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》上，为生物柴油的绿色生产提供了新思路。

研究采用湿法浸渍和煅烧法合成催化剂，通过响应面法（RSM）结合四变量中心复合设计（CCD）优化反应条件。关键实验技术包括催化剂表征（SEM、FTIR等）、反应动力学分析、核磁共振（NMR）和气质联用（GC-MS）等。废大豆油来自印度北方邦当地食品供应商，蛋壳由当地禽蛋商提供。

研究结果

形态学分析
SEM显示TiO₂
@E_CaO
形成纳米级球形颗粒簇（1 μm至100 nm），CaO的加入导致颗粒聚集，但TiO₂
提高了催化剂热稳定性和比表面积。

优化反应条件
通过RSM-CCD确定最佳条件：醇油摩尔比11.45:1、催化剂用量6.16 wt%、反应时间2.28 h、温度61.82°C，生物柴油产率达93.73%。

催化剂稳定性
TiO₂
@E_CaO
表现出良好循环性能，6次使用后产率仍保持69.54%，显著优于纯CaO催化剂。

动力学研究
反应符合伪一级动力学模型，活化能（E_a
）为63.87 kJ/mol，表明TiO₂
的引入降低了反应能垒。

产物分析
NMR和FTIR证实产物为脂肪酸甲酯（FAME），GC-MS分析显示WSOBD符合ASTM标准，闪点高且CO₂
排放减少50-78.45%。

成本分析
蛋壳原料使催化剂成本降低60-75%，凸显经济可行性。

结论与意义
该研究首次将蛋壳源CaO与TiO₂
复合用于WSO转化，解决了均相催化剂回收难、异相催化剂活性低等问题。TiO₂
的引入不仅提高了CaO的热稳定性和抗烧结能力，还通过增加比表面积和活性位点提升了催化效率。研究成果兼具环境效益（废物利用、减排）和经济价值（成本降低），为规模化生产生物柴油提供了技术支撑。作者团队特别强调了催化剂的周转频率（TOF）和环境因子分析，进一步证实其可持续性优势。这项工作为开发新型废弃物基催化剂树立了典范，对推动绿色能源转型具有重要意义。