KOH改性蛋壳源CaO催化剂催化混合植物油制备生物柴油的工艺优化与性能研究

本研究针对生物柴油生产成本高、原料供应不稳定等问题，开发了一种KOH改性蛋壳源CaO纳米催化剂(KOH/es-CaO NC)，用于催化亚麻籽-猴面包树籽混合油(LOBO)的酯交换反应。通过CCD-RSM优化获得94.04%的产率，催化剂可循环使用4次以上，所得生物柴油符合ASTM D6751等国际标准，为可持续生物燃料生产提供了经济高效的解决方案。

　　

在全球面临环境污染、气候变化和能源安全等挑战的背景下，寻找可持续的替代能源迫在眉睫。生物柴油因其可再生、可生物降解和环境友好等特点备受关注，但其工业化生产仍面临原料成本高、催化剂效率低等问题。传统均相催化剂存在分离困难、不可重复使用等缺点，而CaO等非均相催化剂虽具有优势，但其反应速率和稳定性仍需改进。Anietie O. Etim和P. Musonge团队针对这些问题，开发了一种创新的KOH改性蛋壳源CaO催化剂，用于混合植物油的生物柴油生产。

研究采用的主要技术方法包括：1)通过原位浸渍和煅烧法制备KOH/es-CaO-900纳米催化剂；2)使用SEM、EDS、XRD、TGA和FT-IR等技术对催化剂进行表征；3)采用中心复合设计-响应面法(CCD-RSM)优化酯交换反应条件；4)按照AOAC标准方法测定生物柴油的理化性质。

催化剂表征结果显示：XRD分析表明催化剂主要含CaO和K₂Ca(CO₃)₂晶相；FT-IR证实存在Ca-O和K-O键；SEM显示催化剂具有多孔结构；EDS测得Ca(42.49%)、O(49.07%)和K(8.44%)的组成；TGA显示催化剂在580°C以下具有良好的热稳定性。这些特性共同贡献了催化剂的高效催化性能。

工艺优化研究通过CCD-RSM设计20组实验，建立了甲醇/油比、催化剂用量和反应时间三因素的优化模型。模型R²为0.9758，表明模型可靠性高。最优条件为：甲醇/油比18:1，催化剂用量5.5 wt%，反应时间64分钟，温度65°C，在此条件下实际产率达94.04%。参数交互作用分析显示，甲醇/油比和催化剂用量对产率影响最为显著。

催化剂重复使用性测试表明，经过4次循环后仍能保持88%以上的活性，显示了良好的稳定性。研究人员认为活性下降可能与活性位点阻塞、K物种流失以及CaO转化为Ca(OH)₂有关。

所制备的生物柴油(LOBOB)性能测试显示：粘度3.40 mm²/s，酸值0.30 mg KOH/g，密度0.88 g/cm³，十六烷值54.16，热值40.30 MJ/kg，碘值99.40 g I₂/100g，各项指标均符合ASTM D6751、EN 14214和SANS 1935:2011标准，且优于许多文献报道的其他生物柴油。

这项研究的重要意义在于：1)开发了一种高效、稳定的KOH改性蛋壳源CaO催化剂，实现了废弃生物质资源的高值化利用；2)通过混合亚麻籽油和猴面包树籽油，解决了单一原料供应不稳定的问题，同时改善了燃料性能；3)建立的RSM优化模型可为工业化生产提供指导；4)所得生物柴油性能优异，具有实际应用潜力。该研究为可持续生物燃料生产提供了新思路，对推动绿色能源发展具有重要价值。