结构钢与废弃物衍生生物柴油及替代燃料的长期相容性：对可持续储存系统的启示

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Long-term compatibility of structural steels with waste-derived biodiesel and alternative fuels: implications for sustainable storage systems

　　

生物柴油和替代燃料的可持续实施不仅需要减少排放，还需要与现有储存基础设施的长期相容性。本研究调查了在现实储存条件下废弃物衍生燃料与结构钢之间的相互作用。研究人员将两种钢材C45和S235JR在25°C和50°C下暴露于常规柴油、来自废弃食用油的生物柴油（Frying Cooking Oil Methyl Ester, FCOME）、来自固体食物废弃物的生物柴油（Solid Food Waste Methyl Ester, SFWME）以及塑料衍生的热解油燃料（Pyrolytic Oil Fuel, POF）中一年。与大多数先前关注短期暴露或单一燃料系统的研究不同，本研究对多种废弃物衍生燃料及其与广泛使用的结构钢的相互作用进行了比较性的全年评估。研究人员应用了多技术方法，结合了钢材的机械和结构表征与燃料的物理化学分析。结果揭示了对钢材类型和燃料组成的强烈依赖性。C45钢通常表现出更高的稳定性，在生物柴油基介质中的腐蚀速率低于4 μm/年。相比之下，S235JR钢往往表现出更高的腐蚀速率，特别是在50°C时，有表面氧化的证据，而热解油燃料与两种钢材的相互作用可忽略不计。燃料性质也受到钢材暴露的影响。生物柴油的粘度在接触后增加（例如，从未暴露燃料的7.36 mm²/s增加到7.81 mm²/s），而热解油燃料的粘度从约6.85 mm²/s显著下降到约2.91 mm²/s，表明不同的相互作用途径。这些发现强调了材料选择对于可持续燃料储存系统的重要性，并确定C45钢在研究的条件下是更合适的选择。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
全球能源需求增长和环境压力促使向可再生能源转型，运输部门脱碳目标（如欧盟2030议程）推动了对废弃物衍生燃料的关注，包括来自废弃食用油和固体食物废物的生物柴油（Frying Cooking Oil Methyl Ester, FCOME；Solid Food Waste Methyl Ester, SFWME）以及塑料热解油燃料（Pyrolytic Oil Fuel, POF）。这些燃料的可持续实施不仅依赖其生产和燃烧性能，还须与现有钢结构储存基础设施（如碳钢储罐）的长期相容性。然而，现有研究多集中于短期暴露或单一燃料系统，对长期储存条件下多类型废弃物衍生燃料与常用结构钢（如C45和S235JR）的交互作用知之甚少。生物柴油的高吸湿性、酸性和氧化不稳定性可能加剧钢材腐蚀，并导致燃料自身劣化（如粘度上升），从而影响基础设施的耐久性并抵消环保收益。鉴于此，本研究旨在评估C45和S235JR两种结构钢在一年储存期内与常规柴油、FCOME、SFWME和POF的相容性，重点分析材料降解和燃料化学演变。

**研究概述与结论**
研究人员将C45（中碳钢）和S235JR（低碳钢）试样在25°C和50°C下完全浸入上述四种燃料及水（作为对照）中一年，系统表征了钢材的质量变化、晶体结构、力学性能（三点弯曲强度、布氏硬度）以及燃料的运动粘度和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。结果表明：C45钢在生物柴油基介质中腐蚀速率低于4 μm/年，且力学性能更稳定；S235JR钢对生物柴油更敏感，尤其在50°C时出现表面氧化（Fe₃O₄）和更高腐蚀速率（达~3.7 μm/年）；POF与两种钢材几乎无相互作用，且其粘度显著下降。燃料理化性质同样受钢材暴露影响：生物柴油粘度上升（如SFWME与S235JR接触后从~7.36升至7.81 mm²/s），而POF粘度从~6.85降至~2.91 mm²/s，表明不同作用路径。这些发现指出C45钢是更适宜的长期储存材料，并为废弃物衍生燃料的安全储存提供了材料选择依据。论文发表在《Sustainable Chemistry and Pharmacy》。

**关键技术方法**
本研究采用多种表征技术：钢材方面，通过质量变化分析（称重法）计算腐蚀速率（按ASTM G1-03标准），利用X射线衍射（XRD）检测表面相变（如Fe₃O₄），通过三点弯曲试验（Zwick Z100万能试验机）评估弹性模量、屈服强度和塑性区应力，并使用布氏硬度计（Zwick ZHU250）测量表面硬度。燃料方面，使用Cannon-Fenske毛细管粘度计在40°C下测定运动粘度，采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR，ALPHA光谱仪）分析官能团变化。钢材样本由Fundiciones Gómez, S. A.（西班牙）提供；FCOME来自Bio-Oils Huelva, S. L. U.（西班牙）；POF来自Hintes Oil Europa（西班牙阿尔梅里亚）；ULSD（超低硫柴油）来自Repsol Spain。

**研究结果**
**3.1.1 质量守恒分析**
通过称重测量质量变化并计算腐蚀速率。C45钢在25°C下浸于FCOME和SFWME时质量几乎无变化（0.000 g），在50°C时质量损失稍增（如SFWME下-0.037 g），腐蚀速率均低于4 μm/年。S235JR钢在25°C下SFWME略有损失（-0.002 g，0.19 μm/年），在50°C时损失更显著（如SFWME下-0.034 g，3.26 μm/年）。水作为对照造成最高腐蚀速率（C45达33.86 μm/年，S235JR达38.95 μm/年）。结果表明生物柴油和废弃物衍生燃料的腐蚀性远低于水，且S235JR对温度更敏感。

**3.1.2 X射线衍射（XRD）**
XRD图谱显示，大多数燃料暴露后未生成明显新晶相。仅S235JR钢在水中暴露50°C后检测到Fe₃O₄（磁铁矿）衍射峰（标记为↓），与高腐蚀速率一致。所有与生物柴油接触的样品（包括C45和S235JR）在约26.5°（2θ）处出现一个额外弱反射（标记为?），可能源于微量表面物种或实验假象，但非体相转变。C45钢在水中未见Fe₃O₄形成，表明其抗氧化性更好。

**3.1.3 三点弯曲试验**
C45钢在所有条件下保持高刚度和屈服强度（弹性模量43,567-66,221 MPa，屈服强度608.9-903.5 MPa），高温下（50°C）某些生物柴油暴露样品（如FCOME）屈服强度升至850.0 MPa，暗示表面硬化。S235JR钢性能波动较大：弹性模量从39,808 MPa（POF/50°C）到74,236 MPa（FCOME/50°C），屈服强度528.8-612.2 MPa；暴露于纯SFWME和POF时刚度与强度降低，尤其在50°C。表明C45力学稳定性优于S235JR。

**3.1.4 布氏硬度试验**
初始硬度：C45为210 HBW，S235JR为132 HBW。暴露后，C45钢硬度普遍微增，最高达227 HBW（POF和SFWME/ULSD混合燃料），提示表面硬化。S235JR钢仅小幅波动（135-140 HBW），对化学环境不敏感。

**3.2.1 粘度测试（Cannon-Fenske法）**
运动粘度测量显示：生物柴油（FCOME、SFWME）接触钢材后粘度升高，尤其在S235JR和50°C下（如SFWME达7.81 mm²/s vs. 未暴露7.36 mm²/s）。ULSD（超低硫柴油）粘度在接触后总体增加（C45/50°C下达5.46 mm²/s vs. 未暴露3.86 mm²/s）。POF表现出独特行为：接触后粘度大幅下降（如C45/25°C下从~6.85降至2.91 mm²/s），表明不同交互机制。

**3.2.2 FTIR表征**
ATR-FTIR光谱显示：S235JR钢在水中暴露后出现额外O–H峰（可能与Fe(OH)_x有关），在1700-1300 cm^-1区域出现新峰（如1423、1269 cm^-1），对应羰基、酯或氧化产物，与F₃O₄的XRD检测一致。C45钢光谱更稳定，仅有微弱吸附特征。燃料自身光谱表明，温度（50°C）单独可诱导ULSD和生物柴油燃料的氧化（如新O–H和C=O峰）。这些结果与质量损失和粘度变化一致，证实S235JR与生物柴油间的相互降解作用更强。

**讨论与结论**
研究结果强调，燃料组成、钢材类型和温度共同决定了钢-燃料交互作用的程度。C45钢因其较高碳含量和合金元素（如Cr）赋予的更强抗氧化性与机械稳定性，在生物柴油环境下腐蚀率低、力学性能保持良好，成为更优选的储存材料。S235JR钢在高温生物柴油中表现出显著腐蚀和表面氧化，归因于其低碳结构和缺乏保护性钝化层。燃料演变方面，生物柴油粘度上升暗示聚合或氧化反应，而POF粘度下降可能源于轻质组分挥发或裂解。这些发现为废弃物衍生燃料储存系统的材料选择和寿命设计提供了直接依据。
**研究结论翻译**：
本研究全面评估了结构钢与常规及废弃物衍生燃料在受控储存条件下的长期相容性。结果表明，燃料组成和温度在钢-燃料相互作用及降解过程中起关键作用。在所研究的材料中，C45钢在所有测试条件下表现出优异的化学和机械稳定性，具有普遍较低的腐蚀速率和最小的结构变化。相比之下，S235JR钢表现出更高的敏感性，尤其在高温生物柴油环境中，观察到更高的质量损失、高达约3.7 μm/年的腐蚀速率以及表面氧化迹象。这些发现表明，钢的成分显著影响燃料储存系统的长期性能。燃料类型也对材料行为和燃料性质产生显著影响。生物柴油基燃料促进与钢材的相互作用（尤其是S235JR），并在暴露后粘度增加，表明发生降解。相反，热解油燃料与两种钢材的相互作用最小，且粘度下降，表明在所研究条件下具有不同的化学演变和更高的流体稳定性。总体而言，结果凸显了材料选择对确保替代燃料储存系统耐久性和可持续性的重要性。特别是，C45钢似乎是长期储存应用中最合适的候选材料，尤其是在生物柴油暴露和高温条件下，而S235JR钢在此条件下表现出最高的降解。