浅谈甲醇生物柴油的制备与特性

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【摘 要】新能源技术的开发利用是化石能源不可再生的消耗和保护生态环境的需要。文章谈到地沟油、工业废气CO2等有害物质，利用化学知识将其变废为宝，造福人类。酯交换反应及甲醇的合成涉及化学平衡和有机含氧化合物知识，甲醇生物柴油的生产是它的一个典型应用。
【关键词】能源 甲醇 生物柴油
一.问题的提出
能源与材料、生物技术、信息技术被称为现代社会繁荣和发展的四大支柱。能源是维持人类生存的物质基础，也是促进人类物质文明发展的动力之源。当前石油、天然气和煤等传统能源资源日益减少，而传统能源消耗带来的环境污染却日益严重，威胁着人类的可持续发展。开发生物质能等可再生能源可缓解和解决当前的能源和环境危机，扩大其利用是减排CO2的最重要的途经。
甲醇生物柴油是生物质能的一种，它是利用植物油或动物油、废弃油脂或微生物油脂等可再生资源与甲醇经酯交换而形成的脂肪酸甲酯，是典型的“绿色能源”。
二.甲醇生物柴油的制备
1.制备原理
柴油分子是由15个左右的碳链组成的，植物油分子则一般由14～18个碳链组成，与柴油分子中碳数相近。因此生物柴油是利用可再生植物油和动物油脂等加工制取的新型燃料。结合中学化学知识，甲醇生物柴油制备这里介绍酯交换法，且酯交换法工业应用最为广泛。通常是在催化剂作用下油脂与甲醇酯交换制备的。
2.原料来源
油脂可利用废食用油、“地沟油”、工业猪油、牛油、 米糠下脚料和油料植物比如油菜、能源树种绿玉树（Euphorbia tim-calli）和野生植物小桐籽油、黄连木树果油及转基因大豆油。废食用油、“地沟油”作为原料是城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理的新途径。甲醇则可下列方法生产：
（1）用矿物燃料生产甲醇
目前生产甲醇的方法主要是由合成气生产的，用于甲醇生产的合成气可以通过煤炭、焦炭、天然气、石油、重油和沥青之类进行重整或部分氧化而获得。合成气是通过异相催化剂生产甲醇的：一氧化碳（二氧化碳）加氢合成甲醇是一个可逆的气体体积缩小的放热反应，由化学平衡原理知甲醇的平衡浓度随温度的上升和压力的下降而降低。为了加速反应，必须采用催化剂，因此，合成甲醇的反应压力决定于催化剂的活性。
CO（g）+2H2 （g） CH3OH（g） ΔH=-90.7 kJ/mol
CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g） ΔH=-49.5kJ/mol
（2）通过甲酸甲酯生产甲醇
为了降低目前甲醇生产工艺所需的压强和温度，同时也为了提高工艺的热力学效率，另一条在更温和的条件下利用甲酸甲酯与氢气反应（氢化）生成甲醇的路线已经被开发出来了。
HCOOCH3+2H2 CH3OH
该法在液相或气相中均可进行且原子经济性为100%。
（3）利用生物质制取甲醇
生物质是指和植物或动物有关的任一类型的物质，即由生命体产生的物质。包括木材与木材废料、农作物及其无用废物、城市固体垃圾、动物粪便以及水生植物和藻类。生物质能源以其资源丰富、可再生及可实现温室气体（CO2）的零排放等特性而具有成为一种全球最大的可再生洁净能源的可能性。经过预处理的生物质被送入汽化器，得到的热解气含有CO、H2、CH4、挥发性焦油、CO2和H2O。得到的合成气经纯化被送到甲醇生产线原理同（1）.
（4）利用二氧化碳生产甲醇
CO2是环境中大量存在的重要C1基础物质，安全无毒且可再生。如从燃烧矿物燃料的發电厂、工业废气中回收，或从大气中分离CO2 。通过催化氢化或电化氢化把CO2用化学方法转化成甲醇。在热力学上CO2非常稳定，需要在CO2转换成实用的液体化学物质的反应中引入异相催化剂来活化反应。CO2异相加氢转换成有价值的工业产物是一种特别典型的利用CO2的手段。该方法是储存能量最有效/经济的一种方案。将CO2转换成有用的化学物质及燃料可减少温室气体的排放，不仅仅使得大气中的CO2浓度降低，促进了碳循环，也为将来的石油化工和化学工业提供了经济性的原料。
CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g）△H=-49.0kJ/mol
3 甲醇生物柴油的特性
甲醇生物柴油与石化柴油分子中碳原子数相近且甲醇的价格低，同时碳链短、极性强，能够很快地与脂肪酸甘油酯发生反应，与石化柴油相比甲醇生物柴油有下述特性：
（1）具有优良的环保特性。采用甲醇生物柴油尾气中有毒有机物排放量仅为石油柴油的1/10，颗粒物为石油柴油的20%，CO2和CO排放量仅为石油柴油的10% [3]，甲醇生物柴油的生物降解性高。
（2）具有较好的安全性能。由于甲醇生物柴油的闪点较石化柴油高，有利于安全运输和储存。
（3）具有可再生性。作为可再生能源，与石油储量不同。
（4）甲醇生物柴油含氧量高于石化柴油，可达10%，在燃烧过程中所需的氧气量较石化柴油少，燃烧、点火性能优于石化柴油。
（5）具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。
（6）十六烷值较高，大于56（石化柴油为49），抗爆性能优于石化柴油。
（7）甲醇生物柴油可直接用于柴油机，无需改造和添加设备，同时不需要另加储存设备及人员训练。
（8）具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂，冷滤点达-20℃
另甲醇生物柴油既可作为添加剂促进燃烧，本身又可作燃料，具有双重效果；甲醇生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力并降低排放污染率等。
参考文献
[1]周建伟，周勇，刘星.新能源化学[M]郑州：郑州大学出版社 2009 92-93
[2]肖鹏飞，刘瑞娜 ，李永峰.能源生物化学[M]北京：化学工业出版社2014 304-306