新技术突破：一小时将废油转化为生物柴油，转化率高达85%
新技术突破：一小时将废油转化为生物柴油，转化率高达85%
随着全球脱碳进程持续推进，生物柴油已然成为绿色燃料中的“顶流”。近日，美国加州大学圣克鲁斯分校研究团队在生物柴油制备技术上取得重大突破，开发出一种新型酯交换反应方法，仅需一小时就能将废油转化为生物柴油，转化率高达85%。
生物柴油可以分为“酯基”和“烃基”产品。其中酯基生物柴油（FAME）可用于传统的柴油发动机，且无需对发动机进行任何改造。而烃基生物柴油则更多应用于航空燃料。
同时，由于回收利用了废弃食用油，生物柴油也被认为是环境友好、可再生的绿色燃料。这也让用于炼制生物柴油的废弃油成为了“香饽饽”，中国的“地沟油”正在被欧美国家疯抢。
不过，如何将废弃食用油低成本、高效率转化为生物柴油，一直都是业界的难题。目前炼制生物柴油的方式还处于探索阶段，尚未形成一种“最佳方案”。
在转换效率方面，目前国内地沟油的转化率相对较低，大约在30%-40%之间，而泔水油的转化率也只达到了50%（这里的转化率是指地沟油转化成生物柴油的比率）。据业内人士称，由于转化技术尚待提高，国内一半以上的废弃食用油都用于出口了。
好消息是，来自美国加州大学圣克鲁斯分校的化学家们最近发现了一种将废油转化为生物柴油的新方法，或许能为业界打开更多思路。
这种新方法不限油脂种类，甚至不需要太高温度，仅需60分钟就能将废油转化为生物柴油。
在实验中，科研人员使用大型快餐连锁店廉价且丰富的废弃食用油成功进行了酯交换反应，在80°C下反应1小时，平均产率为85%。这种新方法成功规避了现有转化方式的弊端。
图说：凯文·洛夫格伦 (Kevin Lofgren) 在实验室中手持一个烧瓶，其中装有采用论文中的工艺制成的纯生物柴油产品。来源：UCSC
目前将废油转化为一代生物柴油有两种方式，一种是通过催化酯交换反应法制备生物柴油；另一种则是利用超临界甲醇制生物柴油。
而催化又分酸催化和碱催化。目前，生物柴油的制备大都选用碱性催化剂，例如Na和K的甲醇盐和氢氧化物。工业上多采用NaOH和KOH，它们具有广泛适用性且价格低廉。
但是，在碱催化反应过程中，催化剂会与游离脂肪酸反应生产副产物皂（soaps），而皂的产生又引起了凝胶的形成，粘度的增加以及大大提高了产品分离时的成本。
所以碱催化会对原料油规格有着近乎苛刻的要求，必须使用高的精炼油，或者需要额外的处理加工步骤，不论怎样都会增加生产成本。
酸催化的问题在于转化时间非常慢，且能耗高。在常压和甲醇的沸点（64.7℃）下进行酸催化酯交换实验，反应时间进行60小时以上仍不能得到很高的转化率。而通过高压或者在70～80℃与气相的甲醇中进行反应，也需要4个小时以上，才能到达良好的酯化率。
还有一种方式则是利用超临界甲醇，在高温高压的条件下将地沟油转化为生物柴油。
在甲醇的超临界状态下（(Pc= 8. 09 MPa，Tc= 239℃），无需催化剂就可进行酯交换反应。超临界甲醇可以溶解油脂，对原料要求不高，但缺点也非常显而易见——反应过程对设备要求高，能耗大，属于能源密集型方式。
而加州大学圣克鲁斯分校的研究团队通过利用四甲氧基硼酸钠（NaB(OMe)4）作为反应活性成分，开发出的新型酯交换反应更加简单且经济实惠。
研究人员分别对椰子油、大豆油、橄榄油、动物脂肪和废弃食用油都进行了实验，结果显示每一种油脂都成功进行了酯交换反应。
椰子油、大豆油、橄榄油都是直接从超市买来的，动物脂肪是从超市买来的培根中收集的，而废弃食用油则来自一家大型快餐连锁店。
活性成分四甲氧基硼酸钠则是由硼氢化钠（NaBH4）与甲醇反应或者三甲基硼酸钠（B(OMe)）和甲醇钠（NaOMe）在甲醇中反应制成的。
图说：实验流程
来源：Lofgren, K. et al
在反应条件和反应时间上，在40℃和60°C下进行1小时的反应可以使不同油脂完全转化为FAME。而当废弃食用油在80°C下加入NaB(OMe)4/MeOH浆料中，并在搅拌下反应1小时，可生产不含甘油和硼杂质的FAME产品，平均产率为85%。
在反应副产物上，由于工艺避免使用目前主流的氢氧化物，从而了避免了制备过程产生皂化反应，也无需从反应混合物中除去水或者肥皂杂质。
该反应产生的甘油氧化物副产物由于密度高，基本都会积聚在培养瓶底部，不会与FAME融合，因此非常易于分离：倒出来即可。最初分离的FAME层看上去可能略显浑浊，这是由于少量悬浮的甘油-硼副产物造成的，通过离心分离即可澄清。
实验最后，研究人员还根据美国测试与材料学会指定的生物柴油燃料ASTM标准对实验产生的FAME进行了测试。
图说：混合生物柴油的ASTM基准测试数据
来源：Lofgren, K. et al