《Sustainable Chemistry One World》：Production and Fuel Property Characterization of Biodiesel from Baobab (
Adansonia digitata) Seed Oil Using Eggshell-Derived CaO Heterogeneous Catalyst
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摘要本研究以废弃蛋壳作为非均相催化剂，探讨了利用猴面包树种子油生产生物柴油的工艺、特性分析以及燃料性能评估。该催化剂通过煅烧法制备，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对其进行了表征。FTIR分析显示，在613.38?cm?1处出现
摘要
本研究以废弃蛋壳作为非均相催化剂，探讨了利用猴面包树种子油生产生物柴油的工艺、特性分析以及燃料性能评估。该催化剂通过煅烧法制备，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对其进行了表征。FTIR分析显示，在613.38?cm?1处出现了典型的Ca–O振动峰，证实形成了CaO；SEM图像则显示催化剂表面多孔且结构复杂，存在大量相互连接的孔隙，为酯交换反应提供了丰富的活性位点。XRD分析在2θ为6–88°范围内检测到28个衍射峰，其中强度最高的峰出现在28°（11,100?cps），表明该催化剂的结晶度很高。在生物柴油的FTIR谱图中，大约在1745?cm?1处出现了明显的酯羰基（C=O）吸收峰，由此证明猴面包树种子油已成功转化为脂肪酸甲酯（FAMEs）。该种油的物理化学参数为：酸值2.00?mg KOH g?1，游离脂肪酸含量1.0%，皂化值186?mg KOH g?1，比重0.91，密度0.91?g?mL?1，水分含量0.25%，这些参数都表明该油适合用于碱性酯交换反应。纯生物柴油（B100）的闪点为169 °C，十六烷值为57，运动粘度为4.1?mm2 s?1；而与柴油混合后，B20/D80混合物的浊点为?2.1 °C，倾点为?3.9 °C，从而提升了其在低温条件下的流动性。这些研究结果表明，由废弃蛋壳制成的CaO是一种高效的催化剂，而猴面包树种子油则是生产高质量生物柴油的优质可持续原料。
引言
随着化石燃料储备的日益减少、能源需求的不断上升，以及温室气体排放带来的环境问题愈发严重，全球范围内都在寻求可持续且可再生的交通燃料。生物柴油因其可再生来源、易生物降解、硫含量低以及对环境的影响较小，而被视为传统石油柴油最具前景的替代品[1]。生物柴油是由植物油、动物脂肪或废弃油脂在适宜催化剂的作用下与短链醇发生酯交换反应而生成的脂肪酸烷基酯[2]。与化石柴油相比，生物柴油具有更好的润滑性，同时能减少一氧化碳、碳氢化合物、颗粒物和硫氧化物的排放，而且无需对现有柴油发动机进行重大改造即可与其兼容[3]、[4]。不过，生物柴油的商业可行性在很大程度上取决于原料的可用性和成本，因此人们开始关注那些非食用且未被充分利用的含油资源。
在众多非食用原料中，猴面包树（Adansonia digitata L.）因在撒哈拉以南非洲地区分布广泛、耐旱性强，还能在不适宜传统农业种植的贫瘠土地上生长，而备受关注[5]。非洲仍是猴面包树产品的主要生产和消费地，尼日利亚、塞内加尔、马里、坦桑尼亚、津巴布韦和南非等国拥有大量的天然猴面包树种群[6]。近年来，由于猴面包树产品在营养、制药和化妆品领域的应用，全球对它们的需求大幅增加，不过其种子至今仍大多未被充分利用[7]。猴面包树种子中含有约20–35%的油脂，这些油脂富含油酸和亚油酸，具备良好的物理化学性质，非常适合用来生产生物柴油[8]。先前的研究已经表明，由猴面包树种子油制成的生物柴油符合ASTM D6751和EN 14214标准的要求，这体现了它作为可持续可再生燃料的潜力，同时也有助于充分利用本地生物质资源，改善农村居民的生活状况[9]。
传统的均相碱性催化剂，如氢氧化钠和氢氧化钾，虽然反应速率较高，但会导致肥皂生成、催化剂难以回收，还会产生大量废水[5]。因此，近年来的研究多集中在非均相催化剂上，因为这类催化剂易于分离、可重复使用、对环境友好，且净化成本较低[1]。在这些非均相催化剂中，由蛋壳制成的氧化钙（CaO）因其高碱性、低成本、出色的催化活性，以及能够利用农业废弃物进行可持续生产，而被视为最先进的非均相催化剂[[1]，[10]。有研究显示，使用经煅烧处理的蛋壳制成的CaO，生物柴油的转化效率可超过90%；Erchamo等人通过水合-脱水处理从废弃蛋壳中制得了纳米级CaO催化剂，该催化剂在利用废弃食用油生产生物柴油时表现出更强的催化活性[11]。Rashid等人则开发了一种多相结构的蛋壳衍生CaO催化剂，用于废弃食用油的酯交换反应，实验结果表明该催化剂具有较高的催化效率、良好的物理化学稳定性，以及合格的生物柴油品质，进一步凸显了利用废弃物质制成CaO的环境优势[12]。Farooq等人通过向蛋壳衍生的CaO中掺入钾元素，使其催化效率提升了，生物柴油的转化率可达约98.5%。他们认为，金属元素的引入提高了催化剂的碱性、比表面积以及整体酯交换效率[13]。最近，Makarevi?ien?等人总结了食品废弃物衍生非均相催化剂的研发进展，指出由于蛋壳衍生CaO含有较高的CaO浓度、催化稳定性好，且能与多种生物柴油原料相容，因此它依然是目前最高效且最具经济价值的催化剂之一[1]。除了蛋壳衍生的CaO之外，还有多种绿色非均相催化剂被用于生物柴油的生产，其中包括动物骨骼、软体动物壳、蜗牛壳、贝壳和鱼骨等富含氧化钙的废弃物；此外，稻壳灰、椰壳灰、香蕉皮灰和木灰等农业及生物质废弃物也能提供适用于酯交换反应的碱性氧化物。其他催化剂还包括MgO、ZnO、K?O以及CaO与MgO的混合催化剂，还有以活性炭、二氧化硅和氧化铝为载体的催化剂。与传统的均相催化剂相比，这些催化剂具有成本低、可再生、易于分离、可重复使用以及对环境影响较小的优点[11]。
尽管已有研究探讨过CaO在生物柴油生产中的应用，但目前还没有太多研究全面评估过使用废弃蛋壳催化剂通过冷提取法从猴面包树种子油中生产生物柴油的工艺，并同时根据国际标准对所得燃料的品质进行评价。此外，关于将这种尚未得到充分利用的非洲原料与可持续非均相催化剂结合使用的研究也相对较少。因此，本研究旨在利用蛋壳衍生的催化剂从猴面包树种子油中生产生物柴油，并对其物理化学性质和燃料品质进行评估。不过，本研究也存在一些局限性，比如催化剂无法重复使用，研究仅涵盖了从猴面包树生长到种子成熟的整个过程，没有采用BET等方法对催化剂进行分析，也没有在生物柴油生产完成后对催化剂进行检测。这项研究的创新之处在于，它将一种储量丰富的本土非食用原料与一种成本低廉的废弃物质衍生非均相催化剂相结合，从而构建出一条可持续的生物柴油生产路径，有助于推动可再生能源的发展、实现废弃物资源化利用，同时也有利于环境保护。
章节要点
材料
猴面包树（Adansonia digitata）的果实是从尼日利亚卡诺市的Karaye市场采集的。种子先从果肉中手工分离出来，然后清洗并风干。研究中用于提取和处理样品的试剂包括分析级甲醇（≥99.5%）、盐酸（HCl）、正己烷和蒸馏水。而CaO催化剂的原料则是废弃蛋壳。所有试剂均为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。
CaO的FTIR分析
图1中的光谱显示出了11个主要的吸收峰，这些峰反映了生物柴油和有机酯类化合物中多种官能团的特征。其中强度最高的峰出现在2368.66?cm?1处，强度为93.215；紧随其后的是1797.72?cm?1处的峰，强度为88.393。在1798?cm?1附近出现的强吸收峰，对应的是酯类化合物中羰基（C=O）组的伸缩振动，这一现象进一步证明了脂肪酸甲酯已经成功生成
结论
通过以经煅烧处理的蛋壳衍生的CaO作为非均相催化剂，成功实现了猴面包树（Adansonia digitata）种子油通过酯交换反应转化为生物柴油的目标。FTIR分析通过检测到酯类相关官能团的出现及其强度的变化，证实了脂肪酸甲酯的形成。SEM和XRD分析的结果表明，所制备的CaO催化剂具有多孔结构且结晶度很高，表面存在大量有利于催化反应的活性位点。
缩写说明
B100 – 100%生物柴油；B80/D20 – 80%生物柴油与20%柴油的混合物；B50/D50 – 50%生物柴油与50%柴油的混合物；B20/D80 – 20%生物柴油与80%柴油的混合物
未引用参考文献
[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]
CRediT作者贡献说明
Usman Ishaq Shehu：负责文本的撰写与编辑、原始草稿的编写、数据可视化、结果验证、资源收集、方法设计、资金申请、正式数据分析以及数据整理工作。Bishir Usman：负责研究项目的指导、相关软件的使用，以及概念的构思工作。
利益冲突声明
作者们声明已经审阅并批准了提交的手稿内容。同时他们还声明，该手稿未曾在其他地方发表，也未被任何其他期刊考虑发表。
致谢
作者们要感谢尼日利亚卡诺市贝耶罗大学物理与工业化学系的Bashir Usman教授以及他的个人支持。
作者贡献
Usman Ishaq Shehu负责研究设计的制定、实验的开展、数据的分析，以及手稿原始草稿的撰写
Prof Bishir Usman负责项目监督，参与研究结果的解读，同时还对手稿进行了审核和修改
Usman Ishaq Shehu|Bishir Usman
