从废弃物到清洁能源：利用废弃食用油和动物脂肪通过绿色合成方法制备用于生物柴油生产的混合纳米催化剂

《Bioresource Technology》：From waste to clean Energy: Green synthesis of hybrid Nano-Catalysts for biodiesel production from waste cooking oils and animal fats

　　

Tarek M. Abobakr|Mostafa M. El-Sheekh|Ahmed A. Noser|Abdalla M. Khedr

埃及坦塔大学理学院化学系，坦塔31527

摘要

通过充分利用废弃物衍生的催化剂，成功实现了绿色生物柴油的生产过程。本研究中的催化剂由纳米CaO（31.0纳米，经过水合-脱水循环处理的煅烧蛋壳）和MgAlO_x混合氧化物（14.0纳米，源自Mg-Al层状双氢氧化物）组成。仅使用CaO进行废弃食用油的酯交换反应，可得到95.9±0.8%的生物柴油产量。在最佳条件下（甲醇与油的质量比为12:1，催化剂质量分数为3%，温度为60°C，反应时间为45分钟，并辅以超声波辅助），使用CaO和MgAlO_x（质量比为70:30）的组合时，生物柴油产量提高到97.8±0.5%。回收的CaO/MgAlO_x混合催化剂比纯CaO具有更高的稳定性，在经过五次重复使用后，其活性仍可保持初始水平的91.4±1.2%，而纯CaO的活性仅降至87.9±1.5%。含有较高游离脂肪酸（FFA）含量的原料也能通过这种混合催化剂转化为生物柴油，从废弃牛脂中可得到96.9±0.7%的生物柴油产量。所有生产的生物柴油均符合美国材料与试验协会（ASTM）D6751标准和欧洲标准化委员会（EN）14,214标准。所有生物柴油与柴油的混合物（B5（5%）、B10（10%）和B20（20%）均符合ASTM D7467标准，因此这些生物柴油可用于现有的柴油发动机。这展示了循环经济的方法，即各种废弃物可以在绿色条件下通过可持续催化剂被回收利用为高价值的生物柴油。

引言

全球面临的能源问题需要同时解决多个方面的问题。这一被称为“能源三难困境”的问题要求能源必须具备可靠性、经济性和可持续性（Khan, 2025）。随着人口增长、工业发展和城市化进程的加快，预计到2050年全球能源需求将增加45-50%（Lopez等人，2025），因此在这些需求之间保持平衡变得越来越复杂（Lopez等人，2025）。交通运输是全球碳排放的主要来源之一，约占全球总排放量的四分之一；因此，该行业必须转向低碳可再生能源（Pradhan等人，2025）。

生物柴油主要由脂肪酸甲酯组成，具有许多优良特性，如可再生性、生物降解性、较低的毒性以及较少的温室气体排放（Ylba, 2025）。尽管有诸如美国可再生燃料标准和欧盟可再生能源指令II等法规推动生物柴油的使用，但其成本效益仍然是推广的主要障碍（Senjic, 2025）。原料价格占据了生产总成本的70-85%（Mhetras和Gokhale, 2025），因此研究方向转向了低成本、非食用和废弃物材料，如废弃食用油、动物脂肪和农业废弃物（Chaudhari等人，2025）。这样的研究可以降低生产成本，并解决食物与燃料之间的竞争问题，同时缓解土地使用的压力（Turner等人，2023）。

像KOH和NaOH这样的均相碱性催化剂在工业生物柴油生产中得到广泛应用，它们对精炼油的催化活性很高；然而，对于废弃油来说，这些催化剂存在显著问题。大量的游离脂肪酸会加速皂化反应，从而降低产量并增加分离难度（Bhan等人，2025；Zheng和Cho, 2025）。油相和醇相的不相溶性导致传质问题，因此必须采用更高的搅拌速率、更高的温度和更长的反应时间（2-4小时），这需要消耗大量能源（Farouk等人，2024）。

非均相催化剂的优势在于催化剂和产物的分离较为容易。近年来，在混合金属氧化物、负载催化剂和纳米材料方面取得了进展（Verma等人，2025；Zhang等人，2025）。尽管如此，催化转化过程仍存在一些局限性。通常，原料仅限于食用油或纯油，而不是成分复杂的废弃物（Chhetri等人，2008；Sun等人，2025）。催化剂的稳定性仍然是一个问题，通常在经过三到四次循环后就会失活（Lin等人，2022）。很少有研究完全验证生物柴油及其混合物是否符合全球标准（Muhammed Raji等人，2025），特别是对于B5、B10和B20这样的混合物。循环利用（将多种废弃物同时作为原料和催化剂）仍处于早期发展阶段（Sohail等人，2025）。

动力学研究有助于了解非均相催化剂的反应特性和高效工艺设计。在酒精过量的情况下，酯交换反应通常可以用伪一级反应速率表达式来描述，其中表观速率常数（k）与催化活性成正比（Atashkar和Saidi, 2024；Elgharbawy等人，2025）。虽然废弃物作为催化剂越来越受欢迎，但在增强条件（例如超声波辅助）下对混合催化剂进行深入的动力学研究仍然较少。动力学研究可以揭示反应的限速步骤，并为确定催化剂的活性和工艺放大提供数值依据。

也探索了非催化生产技术，如超临界酒精工艺。这些方法可以避免催化剂相关的问题，但需要极高的温度和压力（250-350°C，10-20 MPa），从而导致极高的能源消耗和资本成本（Manuale等人，2015）。然而，这种技术与传统的催化方法相比，具有更温和的反应条件（60°C，常压）和更高的产量。

本研究提出了一种全新的、完全基于废弃物的生物柴油生产方法，将绿色合成的CaO/MgAlO_x纳米催化剂与废弃食用油和动物脂肪的转化相结合，形成了一个既环保又具有经济吸引力的系统。与以往的研究不同，本研究采用全废弃物催化剂和原料平台，结合了酸碱双功能的纳米结构，在温和条件下（60°C，45分钟）进行强化超声波处理，并进行了全面的燃料质量评估，实现了高催化稳定性（经过五次循环后活性仍为91%）。设计的纳米结构有效缓解了基于CaO的催化剂的典型失活机制，而深入的动力学分析证实了协同机制提高了转化效率，并为可持续生物柴油的生产建立了经济高效且可扩展的路径。

章节摘录

材料

所有化学品均为分析级，无需进一步纯化即可使用。七水合硫酸镁（MgSO₄·7H₂O，99%）、十八水合硫酸铝（Al₂(SO₄)₃·18H₂O，98%）、氢氧化钠（NaOH，97%）、碳酸钠（Na₂CO₃，99.5%）和甲醇（CH₃OH，99.8%）均由Merck KGaA提供。鸡蛋壳和食用油来自家庭垃圾，废弃牛脂则从屠宰场获取。

原料表征

根据美国材料与试验协会（ASTM）的标准方法测定了预处理后的废弃食用油（WCO）和废弃牛脂（WCF）的物理化学性质，相关参数见表1。这些性质对于酯交换反应中原料的表征以及生物柴油质量的确定非常重要。

X射线衍射分析

图1显示了水合前后CaO的X射线衍射图谱。

结论

本研究展示了一种完全基于废弃物的循环经济生物柴油生产方法，使用由废弃蛋壳和层状双氢氧化物合成的混合纳米催化剂（CaO: MgAlO_x 70:30）。该催化剂在温和的超声波辅助条件下（60°C，45分钟，常压）从废弃食用油中获得了97.8±0.5%的生物柴油产量，从废弃牛脂中获得了96.9±0.7%的生物柴油产量。值得注意的是，这种混合催化剂在经过五次重复使用后，其活性仍保持初始水平的91.4±1.2%

作者贡献

Mostafa M. El-Sheekh、Ahmed A. Noser和Abdalla M. Khedr参与了概念构思、研究及审稿/编辑工作。T. M. Abobakr负责正式分析、方法学研究、软件开发和初稿撰写。所有作者均参与了软件开发、验证工作，并批准了最终稿件。

未引用参考文献

Al-Saadi等人，2020；Shukla等人，2025；Y?lba??，2025。

CRediT作者贡献声明

Tarek M. Abobakr：撰写——初稿、软件开发、方法学研究、数据整理。Mostafa M. El-Sheekh：撰写——审稿与编辑、可视化处理、项目监督。Ahmed A. Noser：撰写——初稿、数据验证、资源协调。Abdalla M. Khedr：撰写——初稿、项目监督、软件开发。

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所述的工作。