赤泥催化热裂解库马鲁油生产可持续航空燃料范围烃类的研究及其选择性机制分析

本研究针对可持续航空燃料（SAF）生产的需求，利用拜耳法副产物赤泥（RM）作为选择性催化剂，对库马鲁油进行热裂解反应。结果表明，赤泥显著促进了C9-C17烃类的生成，产物分布与商业航空煤油高度相似，并通过FTIR和GC-MS验证了脱氧效率。该研究为生物质转化提供了绿色催化路径，兼具环境与经济价值。

　　

随着全球气候变化的加剧，国际社会对减少温室气体排放的呼声日益高涨。航空业作为碳排放大户，其传统化石燃料的替代品——可持续航空燃料（SAF）的研发成为当务之急。然而，当前SAF的生产仍面临催化剂成本高、工艺复杂、依赖氢化反应等问题。为了解决这些挑战，研究人员将目光投向了工业副产物的资源化利用和天然油脂的高效转化。

在这项发表于《Biomass and Bioenergy》的研究中，来自巴西巴拉那联邦理工大学的团队创新性地利用赤泥（Red Mud, RM）——一种来自拜耳法生产氧化铝的碱性废渣，作为催化剂，对源自南美特色植物库马鲁（Dipteryx odorata）种子的油脂进行热裂解，成功生产出航空燃料范围的烃类化合物。这项工作不仅为SAF生产提供了一种低成本、高效的催化路径，还为工业废料的高值化利用和可再生能源技术的发展提供了重要借鉴。

研究主要采用了以下关键技术方法：首先通过X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、氮气吸附-脱附（BET）和热重分析（TGA/DSC）等手段对赤泥催化剂进行了详细的矿物学、化学和结构表征；其次，利用实验室规模的热裂解反应装置，在430°C下对库马鲁油进行催化及非催化裂解实验，并系统收集和称重各产物组分（冷凝液、水、气体损失和残渣）；最后，综合运用气相色谱-质谱联用（GC-MS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对原料、中间体及最终产物进行定性和定量分析，重点评估了烃类组成和脱氧效率。

3.1. 元素与矿物组成

XRF分析表明赤泥富含Fe₂O₃（56.078%）、Al₂O₃（19.670%）和SiO₂（16.193%）。XRD进一步确认其晶体相包括 Gibbsite（水铝石）、Sodalite（方钠石）、Kaolinite（高岭石）、Hematite（赤铁矿）和Anatase（锐钛矿），这些金属氧化物和矿物结构为其催化活性奠定了基础。

3.2. 结构与形貌

SEM图像显示赤泥具有多相、不均匀的形态，颗粒尺寸在0.5至5 μm之间，表面粗糙且孔隙丰富，这种结构有利于增加反应物与催化剂的接触面积，提高催化效率。

3.3. 表面积与织构特性

BET测得其比表面积为21.917 m2/g，平均孔径约16 nm，吸附-脱附等温线属于II型，符合金属氧化物常见的多层吸附特征。

3.4. 热稳定性

TGA和DSC分析表明赤泥在高温下具有良好的稳定性，总失重仅为12.3%。在274°C和319-340°C观察到的吸热峰分别归因于gibbsite/goethite（针铁矿）和kaolinite的脱羟基反应，这些热事件与其催化活性温度区间相符。

3.5. 红外光谱（FTIR）分析

FTIR光谱在1690-1590 cm^-1（吸附水）、1470-1404 cm^-1（碳酸盐基团）、840-1100 cm^-1（Si-O-Al键）以及453和534 cm^-1（Fe-O振动）等处发现了特征吸收峰，印证了其复杂的化学组成。

3.6. 生物质表征

通过对库马鲁油进行甲酯化转化并利用GC-MS分析，确定了其脂肪酸甲酯（FAME） profile，主要成分包括甲基9,12-十八碳二烯酸酯（25.73%）和甲基9-十八碳烯酸酯（54.05%），同时确认了香豆素（Coumarin）的存在。酸值（AI）测定为1.59 mg KOH/g。

3.7. 催化与非催化反应对比

在完全相同的反应条件下，催化反应（添加0.5 wt%赤泥）与非催化反应表现出显著差异。催化反应的总冷凝产物收率更高（84.90% vs 79.86%），水量增加一倍（9.08% vs 4.78%），气体损失更多（31.57 g vs 26.57 g），而残渣量大幅减少（9.33 g vs 28.17 g）。这些数据表明，赤泥有效促进了脱氧反应（脱羧/脱羰），生成更多的水和CO/CO₂，同时提高了油脂的转化程度。

3.7.2. GC-MS与FTIR表征

GC-MS分析揭示，非催化反应产物以C16:0、C18:1和C18:2等羧酸为主。而催化反应产物则主要由烷烃和末端烯烃组成，包括壬烷（8.38%）、癸烷（5.28%）、十五烷（10.5%）、十六烷（12.59%）和十七烷（8.68%）等C₉-C₁₇烃类。FTIR光谱显示，非催化产物在1710 cm^-1处出现强烈的羧酸C=O伸缩振动峰，而催化产物的该峰信号极弱，与其极低的酸值（4.76 mg KOH/g）相符，证实了赤泥卓越的脱氧能力。

3.8. SAF范围烃类

将催化产物与商业航空煤油（Jet-A）进行GC-MS对比分析发现，两者在C₈-C₁₇烃类组成上存在重叠。催化产物中C₈-C₁₄（航空燃料范围）和C₁₅-C₁₇（柴油范围）烃类的比例分别为55.96%和44.04%，而Jet-A的相应比例则为85.02%和14.98%。这表明催化产物具有更宽的碳数分布，既可作SAF组分，也适用于柴油应用。FTIR光谱相似性和酸值的大幅降低（97.2%）进一步强化了其与常规航空燃料的相似性。

本研究得出结论，利用赤泥作为催化剂对库马鲁油进行热裂解，是一种生产可持续航空燃料（SAF）范围烃类的有效且可持续的方法。该过程避免了贵金属催化剂、高压氢化和复杂的后续精制步骤。赤泥通过促进脱羧和脱羰途径，选择性地生成C₉-C₁₇烷烃和烯烃，产物分布与商业航空煤油相似，脱氧效果显著。这项工作不仅为SAF生产提供了一条新的技术路线，实现了工业废料（赤泥）和可再生生物质（库马鲁油）的高值化利用，还为发展分散式清洁能源生产平台提供了可能，契合循环经济和绿色化学原则。研究者也指出，未来需对催化剂的回收再利用以及进行全生命周期评估（LCA）进行深入研究，以全面论证该工艺的环境和经济可持续性。