精选种子油制备生物柴油的工艺优化、性能表征及发动机测试研究

为解决传统柴油燃料的环境污染和不可再生问题，研究人员针对Cyperus esculentus 、Sesamum indicum 和Colocynthus vulgaris 种子油，通过硫酸催化酯交换反应制备生物柴油，系统评估了其燃料特性、工艺变量对产率的影响及发动机性能。结果表明，B60混合比例显著降低酸性排放（最低0.0015?g/dm3 ），且符合ASTM标准，为可持续燃料开发提供了新选择。

　　

随着全球能源危机和环境问题加剧，寻找可替代传统柴油的清洁燃料成为迫切需求。在尼日利亚等发展中国家，柴油补贴政策取消导致燃料价格飙升，进一步凸显了开发本土化、低成本生物柴油的重要性。然而，现有生物柴油多依赖食用植物油，存在"与粮争地"的伦理争议。为此，研究人员将目光投向非食用性种子油，如Cyperus esculentus
（油莎豆）、Sesamum indicum
（芝麻）和Colocynthus vulgaris
（野生黄瓜），这些植物具有高含油量、耐旱性强且适应恶劣生长环境的特点。

Nnamdi Azikiwe大学的研究团队通过硫酸催化两步法酯交换反应，成功将三种种子油转化为生物柴油，并系统研究了混合比例（B10-B100）对燃料性能和发动机排放的影响。研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和气质联用(GC-MS)分析脂肪酸组成，通过ASTM标准方法测定粘度、闪点等关键参数，并利用TECHNO R175A柴油发动机测试实际性能。

3.1 生物柴油生产机制
通过皂化反应和酯交换反应两步转化，种子油中的甘油三酯先转化为脂肪酸钠皂，再与甲醇反应生成脂肪酸甲酯(FAMEs)。硫酸催化剂在50-60°C条件下实现高效转化，其中C. vulgaris
和S. indicum
的转化率超过80%。

3.2 表征研究
3.2.1 种子油理化性质比较
C. vulgaris
含油量最高（53.6%），碘值122?g/100?g表明不饱和脂肪酸丰富。其酸值最低（0.15?mg?KOH/g），显著优于其他油样，减少了皂化副反应风险。

3.2.2 生物柴油混合燃料特性
B60混合比例展现出最佳平衡：40°C时粘度为14.5?mm²
/s（C. vulgaris
），闪点118°C符合安全标准，且倾点-8°C改善低温流动性。值得注意的是，所有生物柴油混合物的热值（约45,000?kJ/kg）接近石化柴油。

3.2.3 重金属含量
S. indicum
生物柴油表现出最低的重金属污染，镉含量仅0.0027?mg/L，而C. esculentus
的铅含量高达6.78?mg/L，需进一步纯化。

3.2.4 脂肪酸谱分析
C. vulgaris
含37.57%亚油酸（18:2?n-6），赋予优异冷流特性但氧化稳定性差；S. indicum
则因17.18%棕榈酸（C_16:0
）和32.04%油酸（C_18:1
）而兼具稳定性与流动性。

3.3 ASTM分级评估
在100°C时，S. indicum
所有混合物均符合2D级标准（高速发动机适用），而其他两种油的B80+混合物仍属于4D级（仅适用于低速固定发动机）。

3.4 工艺变量影响
催化剂体积存在最优区间（6-10?mL），过量会导致副反应；C. esculentus
在70°C获得100%转化率，而C. vulgaris
反而在40°C达到峰值，表明原料特异性显著。

3.5 反应动力学
二级动力学模型最适配C. vulgaris
（R²
=0.948）和S. indicum
（R²
=0.895），速率常数分别为0.0512和0.0321。

3.6 发动机测试
B60混合物的酸性排放最低（0.0015?g/dm³
），较纯柴油降低66%。FTIR证实所有生物柴油在1740-1750?cm^-1
处存在特征酯羰基峰，验证转化成功。

该研究不仅证实了非食用种子油作为生物柴油原料的可行性，更通过详尽的混合比例优化，为实际应用提供了明确指导。特别是B60混合物的优异表现，既解决了纯生物柴油低温性能差的问题，又显著降低排放，在能源安全与环境保护间取得平衡。未来研究可探索纳米催化剂和低温添加剂，进一步提升在寒冷地区的适用性。这项发表于《Next Energy》的成果，为发展中国家开发生物燃料提供了本土化解决方案模板。