《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Sustainable biodiesel production optimized using a heterogeneous catalyst from petrochemical sludge supported on almond shell hydrochar
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一种新型的异相催化剂，由石化污泥制备并负载在杏仁壳炭化物上。
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该催化剂通过XRF、XRD、FTIR和SEM等技术进行了表征，以评估其用于生物柴油生产的适用性。
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在优化条件下，实现了废弃食用油与甲醇的酯交换反应。
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通过统计Box–Be
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一种新型的异相催化剂，由石化污泥制备并负载在杏仁壳炭化物上。
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该催化剂通过XRF、XRD、FTIR和SEM等技术进行了表征，以评估其用于生物柴油生产的适用性。
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在优化条件下，实现了废弃食用油与甲醇的酯交换反应。
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通过统计Box–Behnken设计方法，获得了98.77%的最佳生物柴油产率。
引言
全球能源价格的上涨以及能源需求的增加给自然能源储备带来了巨大压力，加速了其枯竭。目前，全球能源格局仍然主要依赖煤炭、石油和天然气等化石燃料，这些燃料一个多世纪以来一直是主要的能源来源。然而，这种过度依赖导致了严重的环境、经济和地缘政治后果，迫切需要向可再生和可持续的能源替代品转型。目前，化石燃料约占全球能源消耗量的80%，也是导致全球变暖和气候变化的主要温室气体排放源。因此，采用可再生能源技术对于缓解气候变化、增强能源安全以及促进可持续经济发展至关重要（Malik et al., 2024）。
在可再生能源选项中，生物燃料——特别是生物柴油——因其环境友好性、可再生性和原料灵活性而受到越来越多的关注。生物柴油相较于传统化石燃料具有多种优势，包括低硫含量、含氧量高、生产成本低以及温室气体排放量少。作为柴油的替代品，生物柴油具有生物降解性、无毒性和环境友好性，并且燃烧效率更高。此外，由于其闪点高于石油柴油，因此在处理、储存和运输过程中更加安全（Neupane, 2022）。利用废弃原料生产生物柴油符合循环经济的原则，既解决了废物管理问题，又实现了可持续能源的生成。适合用于生物柴油生产的主要废弃物资源包括农业残留物、工业副产品、废弃食用油（WCO）和动物脂肪（Malik et al., 2024）。
废弃食用油（WCO）由于储量丰富、成本低且不可食用，成为生物柴油生产中最有前景的原料之一。使用WCO可以降低生物柴油的生产成本约70-80%，使其在经济上具有吸引力。WCO主要由家庭、餐馆和食品加工行业产生，其中包含甘油三酯和游离脂肪酸，在烹饪过程中由于长时间暴露在高温和潮湿环境中会发生物理化学变化。将WCO转化为生物柴油可以带来双重好处：降低成本并防止因不当处理造成的水和土壤污染（Cerón Ferrusca et al., 2023）。
酯交换反应是生产生物柴油最广泛使用且效率最高的方法，尤其是对于富含脂质的原料。这一过程通常需要催化剂来达到适当的反应速率。传统上使用的是均匀催化剂，但它们存在一些缺点，如难以与产品分离、会形成皂类物质、导致设备腐蚀以及产生大量废水。这些限制促使人们寻找基于廉价和废弃物材料的可持续异相催化剂替代方案（Malik et al., 2024; Neupane, 2022）。
为了提高生物柴油的生产效率，大量的研究集中在开发基于廉价和废弃物材料的异相催化剂上。例如，一种由香蕉皮制备的异相生物炭-Fe3O4/Fe2K6O5催化剂表现出优异的催化活性、可持续性和易于回收的特性（Mansoorsamaei et al., 2024）。由稻草纤维素与Sr-Fe3O4合成的绿色异相催化剂实现了约95%的生物柴油转化率（Helmiyati et al., 2025），而由咖啡渣制备的磁性生物炭则实现了超过92%的转化率（Silvaraja et al., 2025）。其他研究还报道了使用油棕废弃物制备的磁性生物炭（Mohiddin et al., 2024）和双功能CaO-Fe2O3生物炭（Zhang et al., 2025）能够实现超过90%的转化率。
尽管取得了显著进展，但在生物柴油生产中选择合适的催化剂仍是一个关键因素。影响催化剂性能的关键参数包括反应时间、催化剂重复使用性、FAME（脂肪酸甲酯含量）百分比、皂类物质的形成、反应条件、合成成本、选择性和分离难度。虽然已经探索了动物脂肪、植物油和回收废油等原料，但经济可行性仍然是大规模生产生物柴油的主要考量标准（Bohlouli and Mahdavian, 2021）。
炭化物是一种富含含氧官能团的增值碳质材料，通过水热碳化（HTC）从生物质中制备。这一热化学过程在150至350°C的温度和自生压力下进行。研究表明，炭化物是一种有吸引力的催化支持材料，同时保留了原始生物质的内在特性（Zhang et al., 2019）。
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多项研究证明了基于炭化物的催化剂在生物柴油生产中的有效性。例如，负载钴的活性炭从稻壳中制备，实现了96.3%的生物柴油转化率（Khan et al., 2024）。由香蕉假茎制备的炭化物提高了微藻油的生物柴油产量（Kumar et al., 2024），而浸渍CuO的棕榈叶废炭化物的FAME达到约95%（Aliyu et al., 2024）。其他研究还使用了负载K2CO3的橙皮炭化物（Mawlid et al., 2024）。
尽管在基于废弃物材料的异相催化剂方面取得了显著进展，但在基于炭化物的系统中利用石化污泥的催化作用仍处于探索阶段。尽管石化污泥含有高浓度的碱土金属氧化物，具有潜在的催化活性，但它通常被视为一种环境有害废物。据作者所知，目前还没有系统研究将石化污泥作为活性催化相整合到基于生物质炭化物的生物柴油生产中。
在这项研究中，通过将煅烧后的石化污泥固定在由杏仁壳制备的炭化物上来合成了一种新型异相催化剂，从而同时实现了两种丰富的工业和农业废弃物的价值转化。与以往依赖单一废弃物前体的催化剂不同（Mansoorsamaei et al., 2024; Silvaraja et al., 2025），本工作结合了两种废弃物来源，使用石化污泥作为矿物相，杏仁壳炭化物作为碳质支持材料。这种方法利用了石化污泥中天然存在的CaO和MgO成分作为催化相，而炭化物则提供了有助于矿物相分散的碳质支持。
与基于微生物产生脂质的生物柴油合成途径不同，本策略直接使用废弃食用油作为可用的脂质原料，并通过催化剂设计和过程优化来提高FAME百分比。通过将石化污泥与杏仁壳炭化物结合，本工作提供了一种简化且可扩展的解决方案，制备出结构稳定且经济可行的催化剂系统。
因此，这项工作的主要优势在于将原料转化、废弃物衍生催化剂的合成以及统计优化的酯交换过程结合在一个相对简单且可扩展的过程中。本研究的新颖之处在于将碱性矿物相与碳质支持材料整合，并通过数据驱动的过程优化进行了评估。这种整合的废弃物到资源的策略不仅提高了催化剂的可持续性，还突显了在单一催化系统中结合工业和农业残留物的比较优势。
所合成的催化剂通过XRD、XRF、FTIR、Hammett滴定和SEM等技术进行了全面表征，以揭示其结构、化学、酸碱性和形态特性。该催化剂在废弃食用油与甲醇的酯交换反应中的性能进行了评估，并利用基于Box-Behnken设计的响应面方法系统分析了关键操作参数（包括催化剂浓度、油与甲醇的体积比、反应时间和正己烷共溶剂浓度）的影响。本工作的主要目标是优化生物柴油的FAME百分比，同时展示了一种可持续、低成本且符合循环经济原则的异相催化剂开发方法。
节片段
材料
用于生物柴油生产的废弃物食用油来自当地餐馆和快餐店，经过过滤去除颗粒物。石化污泥和杏仁壳生物质被用作异相催化剂的前体。所有分析级化学品均来自商业渠道，包括甲醇（99.8%）、月桂酸甲酯（甲基十二烷酸酯，>99.7%）、正己烷（95%，超高纯度）、苯甲酸（≥99.5%）、甲苯（≥99.5%）、酚酞（≥98.0%）、靛蓝胭脂红（≥97.5%）等。
XRF分析
根据XRF结果（表2），煅烧后的石化污泥含有高浓度的碱土金属氧化物，这对酯交换反应的催化性能至关重要。主要成分CaO（53.26 wt%）和MgO（28.14 wt%）占总样品的80%以上，表明这是一种高碱性和化学活性的材料。煅烧后，这些氧化物通常会转化为氧化钙和氧化镁的结晶相。
结论
在这项工作中，通过结合使用石化污泥作为活性矿物相和杏仁壳炭化物作为可持续碳质支持材料的策略，成功合成了一种废弃物衍生催化剂，解决了单一来源催化剂在分散性和稳定性方面的局限性。通过XRF、XRD、FTIR、Hammett滴定和SEM的全面表征表明：（i）CPS具有高CaO-MgO碱性；（ii）其非晶态结构...
CRediT作者贡献声明
Majid Mohadesi：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件设计，方法学研究。Ashkan Gouran：撰写 – 初始草稿，实验研究。Ali Roshani：数据管理。
数据和材料的可用性
支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求获得。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
Majid Mohadesi|Ashkan Gouran|Ali Roshani
