基于油桐籽壳衍生固体酸催化剂的人工神经网络优化废食用油转酯化制备生物柴油的绿色可持续研究

本研究针对废食用油(WCO)资源化利用难题，开发了油桐籽壳衍生固体酸催化剂(VSCS)，通过碳化-磺化法制备的VSCS-450°C在最佳条件下实现99.70%生物柴油产率。创新性结合人工神经网络(ANN)预测模型和绿色化学指标(E-factor 0.609，原子经济性90.60%)，揭示了含氧基团与磺酸基(-SO3H)协同催化机制，为生物质固酸催化剂设计提供新范式。

　　

随着全球能源危机加剧和环境问题凸显，生物柴油作为清洁可再生能源备受关注。然而传统生产工艺面临催化剂效率低、废食用油(Waste Cooking Oil, WCO)处理困难等挑战。中国每年产生约500万吨WCO，若直接排放将造成严重水土污染。虽然现有技术可将1.2吨WCO转化为1吨生物柴油，但均相催化剂存在分离困难、设备腐蚀等问题，而传统固体酸催化剂又面临反应条件苛刻、成本高昂等瓶颈。

针对这一系列问题，来自江西本土高校的研究团队创新性地利用中国南方特色农林废弃物——油桐籽壳(Vernicia montana seed shell)开发了碳基固体酸催化剂(VSCS)。该研究通过系统优化碳化-磺化工艺，结合人工神经网络(ANN)建模和绿色化学评估体系，在《Molecular Catalysis》发表了突破性成果。研究人员发现油桐籽壳富含木质素(45-70 wt.%)和钾盐(K⁺ 2-5 wt.%)的特性，为构建高效催化剂提供了独特优势。

关键技术方法包括：1) 梯度温度碳化(300-500°C)结合浓硫酸磺化制备VSCS系列催化剂；2) 采用FT-IR、XPS等表征技术解析催化剂结构；3) 以甘油三油酸酯和实际WCO为底物评估转酯化性能；4) 建立ANN模型预测脂肪酸甲酯(FAME)产率；5) 运用E-factor、原子经济性等绿色化学指标评价工艺可持续性。

pH和酸含量分析显示，VSCS-300°C具有最优酸性(3.65 mmol/g)，但VSCS-450°C展现出最佳催化性能。结构表征表明，适度碳化温度可保留芳香碳骨架和丰富的-SO₃H、-COOH基团，形成多孔结构促进传质。在最优条件(催化剂9.6 wt.%，WCO/甲醇摩尔比1:30，120°C反应8 h)下，WCO转化率高达99.70%。ANN模型准确预测了FAME产率(R²>0.98)，证实含氧基团与磺酸基的协同作用机制。

研究结论部分强调，该催化剂具有三大创新点：一是原料创新，将农林废弃物转化为高值催化剂；二是工艺创新，通过ANN指导实现精准优化；三是理念创新，首次系统评估生物柴油生产的绿色化学指标。绿色度评估显示，该工艺E-factor仅0.609，原子经济性达90.60%，反应质量效率(RME)为0.621，显著优于传统方法。Jian Kang等作者指出，这种"以废治废"的策略不仅解决了WCO污染问题，还创造了每吨催化剂处理10吨WCO的经济效益，为生物柴油工业化生产提供了绿色新思路。

讨论部分深入分析了催化剂失活机制，发现经过5次循环后活性下降主要源于-SO₃H基团流失，但通过简单再生可恢复90%以上活性。与文献报道的ZrO₂、沸石等催化剂相比，VSCS在温和条件下即可实现近完全转化，且对原料含水量和酸值耐受性更强。这些发现为设计新一代生物质基固体酸催化剂提供了重要理论依据，也展示了人工智能辅助绿色化学研究的巨大潜力。