淺談甲醇生物柴油的制備與特性

熊紹良 喻嶸

【摘 要】新能源技術的開發利用是化石能源不可再生的消耗和保護生態環境的需要。文章談到地溝油、工業廢氣CO2等有害物質，利用化學知識將其變廢為寶，造福人類。酯交換反應及甲醇的合成涉及化學平衡和有機含氧化合物知識，甲醇生物柴油的生產是它的一個典型應用。

【關鍵詞】能源 甲醇 生物柴油

一.問題的提出

能源與材料、生物技術、信息技術被稱為現代社會繁榮和發展的四大支柱。能源是維持人類生存的物質基礎，也是促進人類物質文明發展的動力之源。當前石油、天然氣和煤等傳統能源資源日益減少，而傳統能源消耗帶來的環境污染卻日益嚴重，威脅著人類的可持續發展。開發生物質能等可再生能源可緩解和解決當前的能源和環境危機，擴大其利用是減排CO2的最重要的途經。

甲醇生物柴油是生物質能的一種，它是利用植物油或動物油、廢棄油脂或微生物油脂等可再生資源與甲醇經酯交換而形成的脂肪酸甲酯，是典型的“綠色能源”。

二.甲醇生物柴油的制備

1.制備原理

柴油分子是由15個左右的碳鏈組成的，植物油分子則一般由14～18個碳鏈組成，與柴油分子中碳數相近。因此生物柴油是利用可再生植物油和動物油脂等加工制取的新型燃料。結合中學化學知識，甲醇生物柴油制備這里介紹酯交換法，且酯交換法工業應用最為廣泛。通常是在催化劑作用下油脂與甲醇酯交換制備的。

2.原料來源

油脂可利用廢食用油、“地溝油”、工業豬油、牛油、 米糠下腳料和油料植物比如油菜、能源樹種綠玉樹（Euphorbia tim-calli）和野生植物小桐籽油、黃連木樹果油及轉基因大豆油。廢食用油、“地溝油”作為原料是城市餐廚廢棄物資源化利用和無害化處理的新途徑。甲醇則可下列方法生產：

（1）用礦物燃料生產甲醇

目前生產甲醇的方法主要是由合成氣生產的，用于甲醇生產的合成氣可以通過煤炭、焦炭、天然氣、石油、重油和瀝青之類進行重整或部分氧化而獲得。合成氣是通過異相催化劑生產甲醇的：一氧化碳（二氧化碳）加氫合成甲醇是一個可逆的氣體體積縮小的放熱反應，由化學平衡原理知甲醇的平衡濃度隨溫度的上升和壓力的下降而降低。為了加速反應，必須采用催化劑，因此，合成甲醇的反應壓力決定于催化劑的活性。

CO（g）+2H2 （g） CH3OH（g） ΔH=-90.7 kJ/mol

CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g） ΔH=-49.5kJ/mol

（2）通過甲酸甲酯生產甲醇

為了降低目前甲醇生產工藝所需的壓強和溫度，同時也為了提高工藝的熱力學效率，另一條在更溫和的條件下利用甲酸甲酯與氫氣反應（氫化）生成甲醇的路線已經被開發出來了。

HCOOCH3+2H2 CH3OH

該法在液相或氣相中均可進行且原子經濟性為100%。

（3）利用生物質制取甲醇

生物質是指和植物或動物有關的任一類型的物質，即由生命體產生的物質。包括木材與木材廢料、農作物及其無用廢物、城市固體垃圾、動物糞便以及水生植物和藻類。生物質能源以其資源豐富、可再生及可實現溫室氣體（CO2）的零排放等特性而具有成為一種全球最大的可再生潔凈能源的可能性。經過預處理的生物質被送入汽化器，得到的熱解氣含有CO、H2、CH4、揮發性焦油、CO2和H2O。得到的合成氣經純化被送到甲醇生產線原理同（1）.

（4）利用二氧化碳生產甲醇

CO2是環境中大量存在的重要C1基礎物質，安全無毒且可再生。如從燃燒礦物燃料的發電廠、工業廢氣中回收，或從大氣中分離CO2 。通過催化氫化或電化氫化把CO2用化學方法轉化成甲醇。在熱力學上CO2非常穩定，需要在CO2轉換成實用的液體化學物質的反應中引入異相催化劑來活化反應。CO2異相加氫轉換成有價值的工業產物是一種特別典型的利用CO2的手段。該方法是儲存能量最有效/經濟的一種方案。將CO2轉換成有用的化學物質及燃料可減少溫室氣體的排放，不僅僅使得大氣中的CO2濃度降低，促進了碳循環，也為將來的石油化工和化學工業提供了經濟性的原料。

CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g）△H=-49.0kJ/mol

3 甲醇生物柴油的特性

甲醇生物柴油與石化柴油分子中碳原子數相近且甲醇的價格低，同時碳鏈短、極性強，能夠很快地與脂肪酸甘油酯發生反應，與石化柴油相比甲醇生物柴油有下述特性：

（1）具有優良的環保特性。采用甲醇生物柴油尾氣中有毒有機物排放量僅為石油柴油的1/10，顆粒物為石油柴油的20%，CO2和CO排放量僅為石油柴油的10% [3]，甲醇生物柴油的生物降解性高。

（2）具有較好的安全性能。由于甲醇生物柴油的閃點較石化柴油高，有利于安全運輸和儲存。

（3）具有可再生性。作為可再生能源，與石油儲量不同。

（4）甲醇生物柴油含氧量高于石化柴油，可達10%，在燃燒過程中所需的氧氣量較石化柴油少，燃燒、點火性能優于石化柴油。

（5）具有較好的潤滑性能。使噴油泵、發動機缸體和連桿的磨損率低，使用壽命長。

（6）十六烷值較高，大于56（石化柴油為49），抗爆性能優于石化柴油。

（7）甲醇生物柴油可直接用于柴油機，無需改造和添加設備，同時不需要另加儲存設備及人員訓練。

（8）具有較好的低溫發動機啟動性能。無添加劑，冷濾點達-20℃

另甲醇生物柴油既可作為添加劑促進燃燒，本身又可作燃料，具有雙重效果；甲醇生物柴油以一定比例與石化柴油調和使用，可以降低油耗、提高動力并降低排放污染率等。

參考文獻

[1]周建偉，周勇，劉星.新能源化學[M]鄭州：鄭州大學出版社 2009 92-93

[2]肖鵬飛，劉瑞娜 ，李永峰.能源生物化學[M]北京：化學工業出版社2014 304-306