餐廚廢油制備生物柴油的研究進展

摘要：生物柴油是一種發展迅速的綠色能源。目前，以餐廚廢油為原料通過酯交換反應制備生物柴油的研究受到了廣泛的關注。其中，均相催化法以其催化劑價格低廉、操作簡便在工業上得到廣泛應用。與其他制備方法不同，酶催化法條件更加溫和，但其反應時間過長，不宜工業生產；超臨界催化法作為一種新興的制備工藝在近幾年得到了廣泛關注。本文論述了非均相催化法、均相催化法、酶催化法和超臨界催化法制備生物柴油的優缺點，并對生物柴油未來發展前景做出了展望。

關鍵詞：餐廚廢油，生物柴油，制備工藝，酯交換法，研究進展

中圖分類號：Ｑ５５文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)03(b)-0000-00

前言

隨著經濟的不斷發展，人類對于能源的需求逐漸增加，能源危機問題日益加劇。生物柴油作為新型的環境友好燃料受到了廣泛的關注。生物柴油是以餐廚廢油，動、植物油脂等經過酯交換反應得到的可代替石化柴油的再生燃料。與傳統燃料相比，生物柴油燃燒后產生的廢物更少，對環境的污染更小。在歐洲，生物柴油已經用于商業使用十余年。我國也在近些年開始生產使用生物柴油[1]。但是，由于其加工成本高、原料來源稀缺等原因，使得生物柴油的發展受到了阻礙。采用餐廚廢油作為生物柴油的制備原料，不僅防止了廢油二次流入餐桌對人體所造成的健康損害，而且有效降低了生物柴油制備的成本費用，更減少了廢油對環境的污染危害。

1原料預處理

使用餐廚廢油制備生物柴油，首先要對廢油進行提純凈化的操作，研究表明，原料中雜質的去除率對于生物柴油的制備效率有很大的影響。許多學者采用不同的手段對原油進行提純處理。Karaosmanoglu [3]等研究了三種不同的提純方法，其中使用50℃蒸餾水洗滌的方法最佳，但是使用水洗存在許多弊端。Wang [4]提出使用膜分離技術來代替熱水洗的操作，從而有效的避免了因水洗帶來的污染和產物損失。M.Berrios[5]等人提出了幾種有效去除原油中雜質的方法，包括吸附、液液萃取、離子交換，并得出結論采用15wt%的甘油進行兩步反應進行液液萃取時，能高效的去除游離脂肪酸和水的干擾。

2生物柴油的制備

生物柴油的制備方法包括物理法和化學法。其中物理法由于生產成本高，已經漸漸被市場淘汰。化學法主要包括酯交換法和高溫熱裂解法[6，7]。

酯交換法可以分為非均相催化、均相催化、酶催化、超臨界催化等。

2.1非均相催化

非均相催化法系指在兩相或多相反應體系中進行催化反應。非均相催化所使用的催化劑包括非均相堿催化劑和非均相酸催化劑。其中非均相堿催化劑因其反應條件溫和、副反應少、產物易分離等優點被廣泛使用。Felycia [8]等以棕櫚油為制備原料，KOH與膨潤土比1:4，醇油比6:1，反應溫度30℃，反應時間3h的條件下，得到生物柴油的轉化率達90.70%左右。包鵬[9]等以菜籽油為原料，固體堿CaO為催化劑，實驗得到生物柴油的轉化率高達95%以上，此法雖然生物柴油轉化率高，但固體堿催化劑受到原油中游離脂肪酸和水的影響較大。陶站華[10]等提出采用固體酸、固體堿催化劑兩步法催化工藝來制備生物柴油，這種方法不僅彌補了單一使用固體堿催化劑催化反應時產生的弊端，同時也提高了生物柴油的轉化率。Grisel Corro[11]等以廢油為原料，采用兩步催化法，其中第一步以預先用HF處理過的SiO2為催化劑；第二步以NaOH為催化劑，結果表明，生物柴油的產率達96%。隨后，Yun-Duo Long[12]依據前人的研究，以菜籽油為原料，硅酸鈉為催化劑，采用多次連續酯交換反應，最終得到生物柴油的轉化率達99.6%。

非均相催化法工藝簡單，催化劑與產物易分離，產率較高，但催化劑的活性不高，且對環境污染較大。

2.2 均相催化

目前，工業制備生物柴油多采用均相催化法。陳穎[13]等以餐飲廢油為原料，分別采用濃硫酸和NaOH作為反應的催化劑進行酯交換反應，結果表明，當反應條件最優的情況下，生物柴油的轉化率可達到95%。此種方法雖然操作比較簡便，但是催化劑的使用量較大，對環境的污染也較重。因此，一些研究者提出采用兩步催化的方法制備生物柴油，Rafael Guzatto[14]以大豆油、餐飲廢油為原料，采用TDSP—兩步催化的方法制備生物柴油。此法大大減少了催化劑的用量，也降低了因催化劑引起的環境污染。Manop [15]以餐飲廢油為原料，使用兩步催化的方法（第一步，以硫酸為催化劑；第二步，以KOH為催化劑），研究表明，第一步催化時，醇油比6:1，硫酸用量0.68%，反應溫度51℃，反應時間60min；第二步催化時，甲醇與第一步反應所得產物的摩爾比9.1:1，KOH用量1%，反應溫度55℃，反應時間60min，則此時，生物柴油的轉化率可達90.56%左右。

雖然，均相催化法使用的催化劑價格低廉，且兩步催化時可降低催化劑的使用量，但此法對原料的要求很高，反應后產物不易分離，后續操作污染較大[16]。

2.3酶催化

與上述催化法相比，酶催化法的反應條件更加溫和，消耗甲醇的量更少，反應過程受原料中游離脂肪酸和水的影響更小。近些年來，人們對生物酶催化法制備生物柴油的研究漸漸增多。Trupti W. Charpe[17]以廢油為原料，采用酶催化劑制備生物柴油，實驗表明，不同的酶催化劑對于生物柴油的轉化率不同，其中以熒光假單胞菌酶作為催化劑，醇油比3:1，酶濃度5%，反應溫度45℃，反應24h的條件下，生物柴油的轉化率最佳。Kiran Kumar Gali[18]等比較了傳統方法利用酸、堿催化劑制備生物柴油和采用酶催化劑制備生物柴油的優缺點，指出采用酶催化劑價格更低，更加環保，且反應后可回收再利用。隨后，又有研究者提出更加優化的酶催化方法，提高了生物柴油的轉化率。V. Calabro[19]以廢油為制備原料，將脂肪酶固定在離子交換樹脂上，從而獲得高效的生物柴油。Nadir Dizge[20]等將脂肪酶固定在多孔STY–DVB共聚物上，以菜籽油為原油，反應溫度50℃，反應時間24h，得到生物柴油的轉化率達97%。

酶催化法雖然條件較其他方法溫和，但是反應時間較長，不利于大型工業生產過程。

2.4 超臨界法

超臨界法是近些年興起的一種新型的制備生物柴油的方法。與傳統方法相比，超臨界法不使用催化劑，即在超臨界狀態下，甲醇的溶解性很高，可以和油脂較好的互溶，加快了反應速率。最早提出使用超臨界法制備生物柴油的是Saka[21]，他以菜籽油為原料，醇油比1:42，反應溫度350~400℃，壓力45MPa，實驗證明，甲醇在無催化劑的條件下與菜籽油發生酯交換反應，且產率高于有催化劑的條件下。隨后，很多國內外的研究者開始探究超臨界狀態下制備生物柴油的技術。超臨界法主要包括超臨界甲醇制備生物柴油和超臨界CO2制備生物柴油。

超臨界法反應速率快，受原料限制小，生物柴油的轉化率高，得到了工業生產的廣泛關注。但此法需在高溫、高壓下進行操作，且儀器設備復雜，不適宜實驗室采用。

3展望

生物柴油的制備工藝在多位國內外研究者的不懈努力下，也日臻完善。同時，制備生物柴油的原料油多為餐飲廢油，這大大降低了原料成本，也減輕了餐飲廢油對環境的二次污染。

4結語

生物柴油是一種環境友好型的可再生燃料，作為石化柴油的替代品，具有長遠的經濟和社會效益。目前，第二代生物柴油已實現工業化，各國正積極研究第三代生物柴油[7]。此外，利用餐廚廢油作為生物柴油的制備原料，擴大了原料來源，顯著降低了原料成本。因此，未來關注的焦點在于提高生物柴油的產率的同時減少高價原料的使用。

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第一作者簡介：

石雪（1990/12~ ）女 漢族 籍貫：遼寧省大連市 主要研究方向：環境科學