当前世界环境

介绍

生物燃料是一种能量载体，储存来自生物质的能量，通常来自植物、动物、微生物和有机废物。生物燃料可以是固体、液体或气体，包括各种生物质以及用于能源目的的衍生产品。生物柴油是用于驱动车辆的替代燃料之一。生物柴油是由德国工程师鲁道夫·迪塞尔于1895年将花生油转化为生物柴油而引入世界的¹但是，当时以石油柴油为基础的燃料仍然丰富，从而使生物柴油的事实隐藏起来。几年后的20世纪70年代，世界石油储量枯竭²地球开始与环境问题作斗争。这使得生物柴油被认为是一种高效的替代燃料。生物柴油之所以被选为替代品，是因为它的性能与传统柴油略有不同，这取决于所使用的油原料和酒精，但与柴油非常接近。^3.废油被定义为一种合成油，由于存在大量杂质以及失去原有性能而变得不适合烹饪。废食用油的产生有多种来源，包括家庭、商业和工业食品厂，面临着废食用油的环境问题。利用废弃食用油生产生物柴油是高效、经济地利用废弃食用油的较好方法之一。WCO的价格比初榨植物油便宜2-3倍。2013年和2014年，印度大豆产量约为1334万吨。2014年，印度生产了161万吨大豆油和139万吨棉籽油。据报道，预处理后的废食用油在甲醇油比为6.5:1时酯交换转化率最高。⁴随着摩尔比的进一步增加，转化效率基本保持不变，但回收甲醇所需的能量增加。研究结果表明，利用废食用油是降低生物柴油生产成本的有效途径。⁵利用废食用油生产生物柴油具有成本低、防止环境污染等优点。这些油在排放到环境中之前需要进行处理，以防止污染。由于处理成本高，许多人直接将废食用油排放到环境中，特别是在农村地区。

回收的废食用油对健康有害，但这样处理过的食用油并不环保。最好的解决方案是将其用于工业目的，即再生成生物柴油。⁶在体积油与甲醇质量比为1:1、0.5% NaOH催化剂、反应温度为50℃、搅拌速度为320 rpm的条件下，生物柴油得率最高(71.2%)。结果表明，不同油甲醇比、不同醇类、不同摇匀时间制备的生物柴油存在较大差异。甲醇、乙醇和1丁醇制备的生物柴油产率也存在较大差异。⁷

材料与方法

样品制备

生黄豆废食用油购自萨罗吉尼家庭科学女生宿舍。在真空过滤装置中，用5µ滤布过滤油中的污染物。在此机器上过滤了6个样品，每个样品1000毫升。图1显示了过滤后的油以及在收集的大豆废食用油中发现的杂质。

图1:杂质和过滤后的废豆油 点击此处查看图

从过滤后的废蒸煮大豆中随机抽取3个样品，对其游离脂肪酸(FFA)含量、相对密度、酸值、皂化值和酯值进行评价，如表1所示。

表1:鲜豆油和废豆油的特性

财产	新鲜大豆油	废弃大豆油
FFA含量(%)	0.03	0．35
相对密度(kg/m)3.）	890	895
酸值(mg KOH/g油)	0.3	0.56
皂化值(mg KOH/g油)	193	175
酯值(mg KOH/g油)	192.72	174.44

Trans-Esterification过程

将一升废豆油放入烧瓶中加热至接近甲醇的沸点(65-70)⁰C)在磁力搅拌器上，转速1250 rpm，如图2所示。将过滤后的废食用油和甲醇按1:2、1:3和1:4的比例提取生物柴油。将甲氧基钾(KOH和甲醇的混合物)缓慢加入烧杯中，在70℃下加热一个半小时⁰C的温度。反应结束后，将样品转移到分离漏斗中进行甘油分离，如图3所示。在分离过程中，甘油沉淀在分离漏斗的底部，而生物柴油在上部。

图2:磁力搅拌器上的烧杯 点击此处查看图

图3:生物柴油-甘油分离 点击此处查看图

产品洗涤

生产的生物柴油含有微量的KOH、甲醇和甘油。因此，在生物柴油上喷洒40-50℃的蒸馏水，清洗4 - 6次，保存分离。在分离过程中，水沉淀在分离漏斗底部，如图4所示。

图4:生物柴油洗涤 点击此处查看图

产品加热

将洗涤后的生物柴油样品加热至110℃⁰C去除残留在其中的水分。最终合成产物如图5、6、7所示。

图5:生物柴油和废弃大豆油 点击此处查看图

图6:甘油和生物柴油 点击此处查看图

图7:用甘油提取的废豆油生物柴油样品 点击此处查看图

生物柴油的生产

如图8所示，在废食用油与甲醇比例为1:4的样品3中，沼气产率最低，为73%。在食用油与甲醇体积比为1:3的条件下，废大豆油的最佳生物柴油产率为76%。

图8:不同废豆油与甲醇比例下的生物柴油产量 点击此处查看图

废食用油生物柴油特性研究

从相对密度、酸值、高热值、运动粘度和闪点等方面评价了废大豆生物柴油的特性。

前期研究表明，提高甲醇油摩尔比可提高生物柴油的产率。其中油与甲醇的摩尔比为1:1时产率最佳。当油甲醇摩尔比为1:1时，生物柴油的产率为71.2%⁷但目前的研究表明，废大豆油与甲醇的比例为1:3，比其他组合能产生更多的生物柴油。

相对密度

得到了不同废大豆和废棉籽生物柴油在室温下的相对密度，如图9所示。不同样品在室温下的相对密度在880 ~ 905 kg/m之间^3.哪个在800到900千克/米之间^3.15岁⁰c温度由ASTM D 6751推荐。以1:3摩尔比提取的生物柴油相对密度最低，为878 kg/m^3.．

图9:R生物柴油样品的相对密度生产不同的油甲醇比 点击此处查看图

美国生物柴油标准ASTM D 6751规定了酸值的最大限制为0.80 mg KOH/g油。对不同废大豆生物柴油样品的酸值进行了评价，如图10所示。不同样品的酸值范围为0.42 ~ 0.70 mg KOH/g油。在1:3摩尔比生产的生物柴油中，最低酸值为0.42 mg KOH/g油，低于ASTM D 6751推荐的最大限量0.80 mg KOH/g油。

图10:生产的生物柴油酸值不同的油甲醇比 点击此处查看图

总燃烧热

从提取的生物柴油中随机抽取三个样品，得到不同样品的废大豆生物柴油的总燃烧热，如图11所示。不同样品的热值在40.8 ~ 41.3 MJ/kg之间。样品3为1:4比例时，最高发热量为41.3 MJ/kg。

图11:生产的生物柴油的热值不同的油甲醇比。 点击此处查看图

运动粘度

利用标准红木粘度计，对不同废大豆生物柴油样品的运动粘度进行了测定，如图12所示。废大豆生物柴油的运动粘度范围为4.72至5.13 cSt，在ASTM D 445推荐的1.6至6 cSt范围内。以1:3摩尔比制备的生物柴油具有较低的运动粘度。

图12:生物柴油运动粘度生产不同的油甲醇比。 点击此处查看图

闪点

美国生物柴油标准(ASTM D 93)规定闪点的最低限度为130⁰C.在Pensky Martin的闪点仪的帮助下，发现了不同废大豆生物柴油样品的闪点，如图13所示。不同比例废大豆生物柴油的闪点值在139 ~ 146之间⁰C，高于ASTM D 93推荐的最低限值。同时还观察到，以1:3比例制备的废大豆生物柴油的闪点低于其他生物柴油样品。

图13:不同生物柴油样品闪点 点击此处查看图

结论

废大豆生物柴油的实验室规模生产及特性研究得出以下结论:

1. 在油与甲醇摩尔比为1:3,KOH浓度为1.0%的条件下，生物柴油产率可达76%。
2. 不同样品在室温下的相对密度在880 ~ 905 kg/m之间^3.哪个在800到900千克/米之间^3.15岁⁰c温度由ASTM D 6751推荐。以1:3摩尔比提取的生物柴油相对密度最低，为878 kg/m^3.．
3. 不同样品的酸值范围为0.42 ~ 0.70 mg KOH/g油。在1:3摩尔比生产的生物柴油中，最低酸值为0.42 mg KOH/g油，低于ASTM D 6751推荐的最大限量0.80 mg KOH/g油。
4. 不同样品的发热量在40.8 ~ 41.3 MJ/kg之间。样品3为1:4比例时，最高发热量为41.3 MJ/kg。
5. 废大豆生物柴油的运动粘度范围为4.72至5.13 cSt，在ASTM D 445推荐的1.6至6 cSt范围内。以1:3摩尔比制备的生物柴油具有较低的运动粘度。
6. 1:3比例制备的废大豆生物柴油闪点低于其他生物柴油样品。

参考文献

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3. Mittelbatch, M.， Pokits, B.和Siberholz, A.从植物油中提取的柴油燃料，IV:从用过的煎炸油中提取脂肪酸甲酯的生产和燃料特性。:可再生资源的液体燃料，美国农业工程师学会替代能源会议论文集，圣约瑟夫，密歇根州，(1992)74。
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