生物质衍生5-(甲苯甲基)糠醛作为柴油添加剂的制备、放大与发动机性能研究

为解决传统柴油燃料对石油资源的依赖及环境污染问题，研究人员以生物质衍生的5-(乙酰氧甲基)糠醛(AcMF)与石油基甲苯为原料，通过Friedel–Crafts反应合成5-(甲苯甲基)糠醛(TMF)，并系统评估其作为柴油添加剂(1-5 vol%)的燃料特性与发动机性能。研究表明，ZnCl2催化下TMF收率达67%，其柴油混合燃料可提升制动热效率(BTE)并显著降低NOx、CO等排放，为开发绿色混合燃料提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，传统石油基燃料的环境污染与资源枯竭问题日益凸显。据统计，80%的原油被加工为汽油、柴油等液体燃料，而交通运输领域的碳减排压力尤为紧迫。尽管电动汽车技术快速发展，但内燃机仍将在中长期内主导重型运输领域。为此，科学家们将目光投向生物质衍生燃料，特别是糠醛类化合物——这类物质既能保留生物碳循环的可持续性，又因其含氧特性可改善燃烧效率。然而，经典的5-羟甲基糠醛(HMF)存在水解稳定性差、纯化困难等瓶颈，限制了其工业化应用。

针对这一挑战，印度国立卡纳塔克理工学院(National Institute of Technology Karnataka, NITK)化学系的Abhishek Kumar Yadav、Sandeep Kumar Yadav等研究人员创新性地采用生物质衍生的5-(乙酰氧甲基)糠醛(AcMF)与石油基甲苯为原料，通过Friedel–Crafts反应构建了兼具生物基与石油基特性的混合燃料5-(甲苯甲基)糠醛(TMF)，并系统研究了其作为柴油添加剂的性能。相关成果发表在《RSC Advances》期刊。

研究团队主要运用了三大技术方法：一是以无水ZnCl₂为催化剂的Friedel–Crafts烷基化反应优化（温度120°C、4小时）；二是30克级放大制备中采用硅胶柱纯化与活性炭脱色联用技术；三是通过单缸柴油发动机（Kirloskar TV1型）测试不同比例(1-5%)混合燃料的燃烧特性与排放指标。

制备工艺优化

通过对比LiCl、AlCl₃等七种催化剂发现，无水ZnCl₂可使TMF收率达76%（小试规模），放大至30克规模时仍保持67%收率。关键创新在于用硝基甲烷作溶剂，既促进反应均相进行，又便于后续水洗纯化。

燃料特性分析

TMF-柴油混合燃料密度随添加比例增加（B5达0.837 g/cm³），但运动粘度从2.781 cSt降至2.584 cSt（40°C）。闪点保持在46.5°C以上，符合柴油标准，而酸值（0.15 mg KOH/g）显示其腐蚀性可控。

发动机性能

制动热效率(BTE)在低负荷时随TMF比例增加而提升，B5混合燃料在25%负荷下BTE较纯柴油提高12%。这归因于TMF的含氧结构促进燃料充分雾化与燃烧。

排放特性

最具突破性的是排放指标：在100%负荷下，B5混合燃料使NO_x排放从285 ppm降至239 ppm，CO从0.251%降至0.181%。未燃碳氢化合物(UHC)和残余氧含量变化证实TMF显著改善了燃烧完整性。

该研究首次证实了生物质-石油混合燃料TMF的工业化可行性。相较于传统生物燃料（如乙醇），TMF具有能量密度高、与柴油互溶性好等优势；相比醚类添加剂，其闪点和沸点更符合柴油发动机要求。特别值得注意的是，该工艺保留了原料全部碳原子，副产物乙酸可循环用于AcMF生产，体现了"原子经济性"理念。印度国立卡纳塔克理工学院开发的这一技术路线，为破解生物燃料"规模放大难"与"性能平衡难"双重困境提供了新思路，对发展中国家推动能源结构转型具有重要参考价值。