多孔碳基固体酸催化蓖麻油水解-酯化制备支链生物柴油的绿色工艺研究

针对支链生物柴油传统制备工艺中空间位阻效应导致的产率低下问题，研究人员以杉木锯屑为碳源开发了具有高比表面积(1129.86 m2/g)和酸密度(5.03 mmol/g)的多孔碳基固体酸CPS-400-2，通过水解-酯化两步法实现蓖麻油转化率达85.5%，异丙醇酯化率达95.1%，结合DFT计算阐明反应路径，LCC成本分析证实该工艺兼具环境友好性与经济性。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，生物柴油作为化石燃料的绿色替代品备受关注。然而传统直链生物柴油的低温流动性差，而采用支链醇（如异丙醇）直接酯化甘油三酯又面临空间位阻效应导致的产率低下难题。更棘手的是，现有工艺对原料油中游离脂肪酸和水分含量要求苛刻，大幅增加预处理成本。针对这些行业痛点，广西科研团队创新性地提出"水解-酯化"两步法工艺路线，并设计出高性能多孔碳基固体酸催化剂，相关成果发表在环境工程领域权威期刊《Process Safety and Environmental Protection》上。

研究团队采用杉木锯屑为原料，通过磷酸活化辅助的碳化-磺化工艺制备多孔碳基固体酸，结合BET、FT-IR等表征手段优化催化剂性能；采用响应面法确定水解（160°C/3h）和酯化（160°C/2.5h）最佳条件；运用GC-MS分析生物柴油组分，通过DFT计算揭示异丙醇与蓖麻油酸的酯化反应路径；最后进行生命周期成本(LCC)和环境效益评估。

【Effect of carbonization temperature】研究发现400°C碳化温度制备的CPS-400-2催化剂具有最大比表面积(1129.86 m²/g)和磺酸基密度(1.68 mmol/g)，水解产率达79.1%。【Catalyst characterization】XPS证实催化剂表面存在-SO₃H、-COOH和-OH三种酸性位点，协同促进反应进行。【Hydrolysis optimization】在油水比2:1、催化剂用量6 wt.%条件下，蓖麻油水解率提升至85.5%。【Esterification performance】异丙醇与蓖麻油酸摩尔比18:1时，酯化率高达95.1%，所得支链生物柴油凝点较传统产品降低12°C。【Reaction mechanism】DFT计算显示异丙醇的α-H更易与羧基氧形成氢键，降低活化能至68.9 kJ/mol。【Environmental assessment】全过程碳排放较传统工艺减少37%，催化剂可重复使用5次仍保持80%活性。

该研究通过"废物资源化-催化剂设计-工艺优化-机理阐释"的全链条创新，不仅为支链生物柴油生产提供了新型高效催化剂，更建立了兼具经济性与环境友好性的工艺范式。特别值得注意的是，采用农林废弃物杉木锯屑作为原料，既解决了固体废弃物处置难题，又显著降低催化剂生产成本，每吨生物柴油制备成本较传统方法减少23%。研究揭示的多功能酸性位点协同催化机制，为后续开发其他生物质转化催化剂提供了重要理论参考。文中所采用的"水解优先"策略，突破了原料油品质限制的技术瓶颈，对推动生物柴油在寒冷地区的规模化应用具有重要实践价值。