开发一种利用氯化锡（SnCl2）功能化的土豆皮生物炭催化剂进行生物柴油生产的太阳能光伏系统：技术经济分析与环境影响评估

《Biomass and Bioenergy》：Development of a solar PV-powered setup for biodiesel production mediated by SnCl 2-functionalized potato peel biochar catalyst: Techno-economic analysis and environmental impacts

　　•酸性PPW生物炭显示出高比表面积和强催化酸性。•在太阳能光伏辅助反应中，DWO的FFA转化率达93.57%。•催化剂在七次循环使用后仍保持稳定性能。•优化条件：4.5%催化剂重量、1:11甲醇比例、180分钟。•太阳能光伏集成使电力消耗成本降低了49.5%。

引言
近几十年来，能源需求已成为社会发展和经济增长的基本驱动力。化石燃料历史上一直主导着能源行业，约占全球能源消费的35%，并为交通运输领域提供了近90%的能源[1][2]。除了能源生产外，石油衍生物还是生产化肥、化学品、药品和塑料的关键原料。然而，这些有限资源的过度开发导致了环境退化和资源枯竭，促使人们转向可持续替代品。其中，生物燃料提供了一种可持续的解决方案，有助于森林保护、生物多样性保护，并减少与粮食作物的竞争[3][4]。生物柴油的可行性与原料选择和催化剂性能密切相关；然而，超过95%的生物柴油生产依赖于食用油，这增加了成本并可能危及全球粮食安全[5]。
为了克服传统原料带来的经济限制，利用废弃油（DWO）作为一种成本效益高且可持续的替代品受到了广泛关注。DWO是反复煎炸和烹饪过程的副产品，其年产量估计为300万至500万吨[6][7]。DWO中游离脂肪酸（FFA）含量高，加之这些酸在甲醇中的相对高溶解度，使其成为生物柴油生产的理想原料。这一特性促进了反应物之间的界面相互作用，有效减少了由于FFA和甲醇互溶度有限而通常导致的质量传递限制。此外，与精炼油或食用油相比，DWO的获取成本较低，使其成为经济上有利的原料，符合可持续生物柴油生产的经济和环境目标。然而，由于DWO中FFA含量较高，需要使用酸性催化剂进行酯化反应以减少皂化物的形成并实现高效转化[7][8]。
传统上，酶法和均相酸催化剂都被用于生产脂肪酸甲酯（FAMEs），具有一定性能优势[9]。然而，它们的大规模工业应用受到许多固有缺点的限制，包括生物催化剂的热不稳定性、催化剂回收和再利用的困难、高昂的运营成本，以及酸性环境对工艺设备的腐蚀[10][11]。因此，异相催化作为一种有前景的替代方案出现了，它通过易于分离、可回收性和操作稳定性解决了这些问题，因为催化剂在反应循环中的损失很小[12]。尽管如此，固体催化剂也存在一些局限性，如质量传递阻力、活性位点暴露有限，以及催化物种可能渗入反应介质[11][13]。为了克服这些挑战，越来越多地研究了源自生物质的催化剂载体，作为能够提高生物柴油合成效率和环境性能的可持续材料[14]。
在追求环境负责的催化剂开发策略方面，最近的研究努力集中在设计来自可再生农业废弃物的碳基催化材料上[15][16]。这种方法不仅促进了绿色化学的原则，还促进了生物质残渣的增值利用，将低价值副产品转化为高价值的功能性催化材料[16]。这类生物前体丰富、价格低廉，并天然含有氧功能基团，在增强表面反应性、稳定性和催化性能方面起着关键作用[17]。例如，Farabi等人[18]报道使用从棕榈壳衍生出的磺化碳催化剂在65℃下处理1小时后，FFA转化率达到97%。同样，Thushari等人[19]使用从椰子粕残留物合成的磺化碳催化剂在12小时酯化后，实现了92.7%的FAME产率。尽管有这些有希望的结果，但传统的热合成技术（包括煅烧和热解）通常会释放气体和颗粒污染物，带来环境和安全问题。因此，开发更清洁、低排放和可持续的异相催化剂合成路线对于推进环境负责的生物柴油技术至关重要[18][20]。
马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全球种植最广泛的粮食作物之一，2020年的年产量超过3.7亿吨。大规模工业加工马铃薯以生产薯条、薯片、脱水片和淀粉基材料等产品会产生大量的马铃薯皮废料（PPW）[21]。根据加工方法和去皮效率的不同，这些残渣可能占收获块茎生物量的很大一部分。未经处理的PPW如果在垃圾填埋场或露天环境中处理，会导致废物积累、异味产生和微生物污染，从而引发环境和卫生问题。从 compositional 角度来看，PPW含有大量的木质纤维素成分、淀粉、膳食纤维、酚类化合物、黄酮类化合物、花青素、糖苷生物碱以及矿物质营养素（如钾、钙、镁和磷[21][22]。这些富含碳和氧的有机成分有利于通过热化学转化成功能性的生物炭材料[23]。此外，表面含氧官能团的丰富性便于后续的化学修饰，使得开发出适用于生物柴油合成和其他可再生能源应用的高活性酸性功能化异相催化剂成为可能。热解辅助湿法浸渍是一种简单且多用途的方法，可用于制备源自生物质的异相催化剂，因为它可以形成多孔碳载体，并可控地负载和分散催化活性金属物种[24][25]。
最近的研究在可持续生物柴油生产的异相催化剂开发方面取得了显著进展。Mlambo等人[26]报道了用Li、Na和K改性的La2O3/ZnO基纳米催化剂用于生物柴油生产，最大生物柴油转化率达到99.5%，并在六个循环使用后仍保持催化活性。这项研究强调了金属氧化物组成改性在提高催化性能和可回收性方面的有效性。同样，Sarkar等人[27]展示了将荔枝渣转化为含Ca和K的异相催化剂，用于Jatropha curcas油的生物柴油生产。他们的研究包括催化剂表征、反应优化、可回收性、燃料性质和经济可行性等全面调查。
如今，对电力的日益增长的需求以及对传统发电方式环境影响的日益关注，使各国更加重视可再生能源资源。这些资源广泛可用，价格波动较小，并且可以自然补充，使其成为有限化石资源的吸引人的替代品。其中，太阳能是最有前途的可再生能源之一[28]。太阳能可以通过两种主要途径利用：第一种是将阳光直接转化为电能；第二种是利用太阳能热能。通过光伏（PV）系统可以实现阳光的直接电能转化。鉴于PV系统的众多优势，其应用于发电的比例稳步增加。在这项研究中，生物燃料生产所需的能量由基于PV的系统提供的太阳能辐射提供。生成的电能用于驱动磁力搅拌器，而反应所需的热能则由太阳能热水系统提供；因此，过程所需的热能和电能均来自太阳能[29][30]。由于这种丰富的可再生能源的广泛可用性，太阳能可以在生物燃料生产行业中得到广泛利用。因此，将太阳能作为清洁和可持续的能源来源进行整合，可以在减少环境影响的同时实现燃料生产[30][31]。集成的电池存储单元确保在太阳光照不足时也能持续运行，从而提高生物柴油生产的稳定性和连续性。先前的研究已经证明了太阳能在这方面的潜力。例如，Gupta等人[31]通过使用菲涅尔透镜集中太阳能辐射，从大麻籽油中获得了97.41%的生物柴油产率。然而，许多早期方法直接使用了太阳能热能，而没有充分控制反应器温度，尽管温度对反应动力学和最终FAME产率有很大影响。为了解决这一问题，所提出的系统结合了太阳能转换和热管理，为反应器操作提供所需能量，实现了精确的温度控制，提供了可扩展且节能的可持续生物柴油生产途径。
遵循可持续催化和循环生物经济的原则，本研究提出了一种整合策略，通过将两种低价值废料（PPW和DWO）分别转化为功能性异相催化剂和可再生生物柴油来进行增值利用。与之前主要研究生物质衍生催化剂、废油增值或太阳能辅助生物柴油生产的独立方法不同，本研究通过开发一种PPW-生物炭/SnCl2异相催化剂，在太阳能辅助反应条件下进行高FFA DWO的酯化，将这两种概念整合在一起。PPW衍生的生物炭作为一种低成本且可再生的碳载体，而Sn基功能化引入了促进酯化反应的催化活性位点。所制备的催化剂通过结构、形貌、元素分析、表面酸性和质地分析进行了全面表征，以建立其物理化学特性与催化性能之间的关系。此外，还采用了基于Box–Behnken设计的响应面方法（RSM-BBD）系统地优化了催化剂用量、甲醇与油的摩尔比和反应时间。除了评估催化活性外，该研究还评估了催化剂在七个连续循环中的稳定性和可回收性，表征了所得生物柴油的物理化学性质，并评估了所提出过程的经济可行性。因此，这项工作的主要创新之处不仅在于DWO中FFAs的酯化，还在于在统一的框架内结合了双重废物增值、生物质衍生Sn基异相催化、太阳能辅助过程强化、统计优化、催化剂可回收性和经济评估。

化学品和资源
DWO的FFA含量为7.34%（重量），从伊朗埃斯法拉延市的一家当地餐馆收集，表明其作为FFAs酯化原料的潜力。DWO的其他物理化学性质见表1。实验所需的溶剂和化学试剂（包括正己烷和甲醇）购自Merck公司。其他关键试剂，如纯甲醇、氢氧化钾（KOH）、硫酸钠（Na2SO4）和锡(II) ...

FTIR分析
图6所示的FTIR光谱用于研究SnCl2改性前后PPW-生物炭的表面官能团，并评估催化剂制备过程引起的化学变化。未改性生物炭与改性样品的光谱之间的明显差异表明，SnCl2处理改变了材料的表面化学性质。对于未改性的PPW-生物炭，在3420 cm?1处观察到一个宽的吸收带，对应于...

结论
本研究旨在通过合成低成本催化剂并高效利用太阳能，开发一种可持续的FFA转化路线。在这方面，从PPW衍生出的生物炭经过SnCl2活化后，用作在太阳能光伏系统下DWO中FFAs酯化的酸性异相催化剂。全面的表征结果证明了PPW-生物炭/SnCl2催化剂在该反应中的高潜力。其出色的催化性能可以...

作者贡献声明
Basir Maleki：撰写——原始草稿、可视化、软件、形式分析、数据管理。Meysam Hooshmand：撰写——审阅与编辑、资源管理、方法论、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。