综述：从酯类到烃类：生物柴油升级的催化挑战与策略

《Applied Catalysis A: General》：From Esters to Hydrocarbons: Catalytic Challenges and Strategies for Biodiesel Upgrading

　　

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  水热失活因其累积性、不可逆的特性而值得重点关注；
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  催化剂的合成方法通过金属分散度、水热稳定性（MSI）和孔结构影响其失活；
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  逆Ostwald熟化机制既可防烧结又可实现再生；
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  抗失活与再生在全生命周期管理中相辅相成；
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  实验室研究与工业应用之间仍存在差距；未来的模型必须解决多机制耦合问题。

引言

生物柴油作为一种有前景的绿色能源，能够帮助缓解传统能源供应的压力，因而受到越来越多的关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。例如，中国科学院等离子体物理研究所开发了一种利用废油和脂肪共生产生物柴油、乙醇、沼气和生物肥料的工艺[6]。中国科学院青岛生物能源与过程研究所则采用悬浮床-固定床系列加氢工艺，将利用废油生产的烃类生物柴油商业化，命名为中科生物燃料加氢（ZKBH）[7]。此外，中国石化（Sinopec）独立开发了亚临界甲醇醇解（SRCA）生物柴油生产技术，并成功投产了年产6万吨的工业化装置[8]。与此同时，新型原料（如麻疯树油[9]、[10]和微藻[11]、[12]）的应用，以及酶工程[13]、[14]、固体碱催化[15]、[16]和新兴加氢工艺[17]、[18]、[19]、[20]、[21]的进展，共同为生物柴油产业注入了新的动力。

生物柴油技术目前正从酯基路线向烃类路线转变。前者依赖酯化反应，而后者则建立在加氢反应之上[22]、[23]、[24]。加氢催化剂的性能和使用寿命是决定整体工艺经济性的关键因素。这是因为反应条件本身非常苛刻，涉及高温、高压以及富氢氛围。此外，原料油中含有10–12 wt%的氧，因此脱氧过程不可避免地会产生大量水。废油中还含有游离脂肪酸、磷脂、金属离子、硫和氮等杂质，这些杂质无法通过预处理完全去除。因此，加氢催化剂面临着比传统石化加氢更为严峻的失活环境[25]、[26]。由此产生的失活现象包括烧结、积碳、中毒和水热失活。这些效应共同导致催化活性随时间持续下降。结果，工厂不得不提高反应温度、增加氢气消耗，甚至频繁停车更换催化剂。这些应对措施显著增加了烃类生物柴油的生产成本[25]、[26]。

基于上述原因，全面理解油加氢条件下的失活机制至关重要。开发有效的抗失活策略（即在催化剂设计和运行过程中采取的主动措施，用以抑制失活的初始发生）和再生技术（即在失活发生后采取的后处理方法，用以恢复已下降的催化活性）同样必不可少。这些努力是实现烃类生物柴油经济可行性的关键。正如方案1所概述的，本综述从三个方面应对这些挑战：失活机制、抗失活策略和再生技术。其目的是系统性地综述生物柴油生产中催化剂稳定性的研究进展，从而为长寿命工业催化剂的设计和应用提供指导。

大多数综述通常分别讨论催化剂失活机制、抗失活策略和再生技术，并且往往只针对单一催化剂或单一失活机制。从全生命周期管理的角度出发，本综述系统分析了四大失活机制的发生及其可逆性；建立了催化剂合成方法与失活行为之间的关联；比较了失活防治与再生策略，阐明了它们在整生命周期中的互补作用，并评估了实验室研究与工业应用之间的差距。本综述的目标在于平衡机理理解与实践指导，从而为烃类生物柴油生产中长寿命工业催化剂的设计提供方向。

章节摘要

生物柴油的生产方法

如图1所示，目前生物柴油的生产方法可分为两类：酯交换和加氢工艺[22]、[23]、[24]。酯交换路线通常以植物油、动物脂肪和短链醇为原料。通过酯交换反应，油脂被转化为脂肪酸烷基酯，即酯基生物柴油。甘油作为副产物被共生产。相比之下，加氢工艺路线建立在

加氢催化剂的失活

作为现代油脂工业中的关键改性过程，油加氢涉及不饱和脂肪酸甘油酯与氢的催化异相反应。该工艺可显著提升油脂的氧化稳定性、调谐其熔融点范围并赋予特定的功能特性。因此，它在食品加工、生物柴油合成、特种脂肪生产和精细化学品制造中得到了广泛应用。在这一过程中，

加氢催化剂的抗失活策略

针对加氢催化剂在运行过程中遭遇的四大失活机制，研究人员从多个角度开展了广泛而系统的研究。这些方面包括催化剂结构设计、组分调控、载体改性、工艺优化及其他相关技术。这些领域取得了相当大的进展。表5总结了针对每种失活机制所开发的抗失活策略，以及

再生技术与抗失活策略的区别

在催化反应工程领域，抗失活策略与再生技术是催化剂全生命周期管理中两个本质不同的概念。它们在目标、时机、机理和技术目标上存在显著差异。

抗失活策略属于预防性维护。它们在催化剂使用前及使用过程中实施。这些策略着重于提高活性组分本身固有的稳定性。

结论

生物柴油生产正从酯基路线向烃类路线转变。后者源自催化加氢，其产物为与石油柴油完全兼容的烷烃，代表了更为有前景的未来发展方向。

加氢催化剂的寿命是决定经济性的关键因素。在四大失活机制中，水热失活是最为突出的瓶颈之一。水是加氢脱氧过程中不可避免的副产物，其对催化剂的不可逆攻击

CRediT作者贡献声明

陈雷：构思。 肖正亭：撰写——初稿、可视化、形式分析。 陈松：资金获取。 李广慈：撰写——审阅与编辑、构思。 沈东财：调查。 孙文婷：撰写——审阅与编辑。 郑瑞：撰写——审阅与编辑。

关于写作过程中生成式AI与AI辅助技术的声明

在本工作准备过程中，作者使用了"Deepseek"和"DeepL"这两种工具，以检查语法和拼写，并对可读性和风格进行改进。使用这些工具之后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能对本论文所报告工作产生影响的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国山东省重点研发计划（编号：2024CXGC010701）、青岛市重点科技项目（编号：25-1-1-gjgg-6-gx）、山东能源研究院（SEI）（拨款号：SEI I202103）以及河北省教育厅基金（拨款号：BJK2024174）的资助。

Zhengting Xiao|Lei Chen|Wenting Sun|Dongcai Shen|Guangci Li|Song Chen|Rui Zheng