绿色燃料创新在可再生能源中的应用：BaTiO?改性的螺旋藻微藻生物柴油（第三代）与RSM的柴油混合燃料的发动机响应优化

《Renewable Energy》：Green Fuel Innovation for Renewable Energy: Engine Response Optimization of BaTiO 3-Modified Spirulina Microalgae Biodiesel (3rd Generation) –Diesel Blends with RSM

微藻油酯交换制备生物柴油与商用柴油混合后，在单缸柴油机中测试不同负荷（500-3000W）下的性能及排放。添加50-150ppm钡钛酸纳米颗粒，通过响应面法优化燃烧条件，显著提升制动热效率并降低CO、HC排放，验证纳米颗粒辅助生物柴油在环保与性能上的优势。

　　

阿赫梅特·卡南（Ahmet Canan）|拉赫曼·恰尔汉（Rahman ?alhan）|萨梅特·乌斯卢（Samet Uslu）

土耳其卡拉布克大学（Karabuk University），能源系统工程系（Energy Systems Engineering Department），卡拉布克（Karabuk）

摘要

在本研究中，通过螺旋藻油（Spirulina microalgae oil, SMO）的酯交换反应制备了生物柴油，以开发一种可持续且环保的替代燃料。所制备的生物柴油与商业柴油以不同比例混合，并在单缸柴油发动机上进行了测试，发动机负载范围从500瓦到3000瓦。根据性能和排放评估，B10D90混合物被认为是最合适的基燃料。随后，向B10D90混合物中添加了钛酸钡（BaTiO₃）纳米颗粒，浓度分别为50、100和150 ppm，以改善燃烧性能并减少尾气排放。利用响应面方法（Response Surface Methodology, RSM）系统分析了发动机负载和纳米颗粒浓度的综合效应，以确定最佳操作条件。结果表明，在优化条件下，添加钛酸钡纳米颗粒可以提高制动热效率，降低制动特定燃油消耗、一氧化碳和未燃烃的排放。总体而言，研究结果表明，钛酸钡辅助的微藻生物柴油-柴油混合物为提高发动机性能和排放特性提供了有前景的方法，凸显了纳米颗粒辅助生物燃料在实现更清洁、更可持续的柴油发动机运行方面的潜力。

引言

全球能源行业长期以来一直依赖化石燃料；然而，化石燃料的过度使用增加了温室气体排放，加速了气候变化，并加剧了环境和地缘政治挑战。这些问题促使人们对可再生能源产生了日益浓厚的兴趣，其中基于生物质的燃料因具有碳中和和可持续性的潜力而发挥着重要作用[1]。生物质可以通过热化学和生化途径转化为能源载体，从而生产固体、液体和气体生物燃料[2]。

液体生物燃料通常根据原料和生产技术分为三代[3]。虽然第一代和第二代生物燃料面临与食品安全、成本和可扩展性相关的挑战，但来自微藻的第三代生物燃料已成为一种有前景的替代品[4]。微藻生长速度快，脂质产量高，并且能够在非耕地使用咸水或废水的情况下生长，而不会与食物资源竞争[5]。它们的脂质含量可达到干生物质的70%，使其成为生产生物柴油的理想原料[6]。表1总结了不同微藻物种衍生的生物燃料。

尽管具有可再生性，但基于微藻的生物柴油在物理化学性质上存在一些局限性，限制了其在柴油发动机中的直接应用。较高的粘度和密度会负面影响喷雾雾化和燃烧效率，而较低的发热值则会降低发动机性能，尤其是在高负载条件下[7]。此外，较差的低温流动性限制了其在低温下的运行，而且由于燃烧温度和氧气含量的升高，生物柴油燃烧常常伴随着NO_x排放的增加[8]。

为了缓解这些限制，最近的研究越来越多地探索使用纳米颗粒（NPs）作为燃料添加剂。研究表明，纳米颗粒辅助的生物柴油混合物可以改善燃料雾化，提高燃烧效率，并减少不完全燃烧产物的排放，这得益于它们较大的表面积和催化活性[9]。关于纳米颗粒增强型微藻生物柴油燃料的先前研究总结在表1中。

在各种纳米颗粒添加剂中，钛酸钡（BaTiO₃因其独特的压电和介电特性而受到越来越多的关注。与传统主要通过表面催化作用的金属氧化物纳米颗粒不同，钛酸钡在燃烧室内受压和受热时可以产生电极化。这种行为可能会诱导局部微尺度电场，影响电荷分布、自由基形成和氧化动力学，为燃烧性能的提升提供了另一种途径[10]。

尽管对纳米颗粒辅助生物柴油燃烧进行了大量研究，但大多数现有研究集中在传统纳米颗粒和较高的生物柴油混合比例上，往往没有考虑纳米颗粒功能性和发动机运行条件的综合效应[11]。此外，许多研究依赖于单一响应分析，限制了对性能提升与排放减少之间权衡的评估[12]。尽管基于优化的方法最近受到了关注，但关于微藻衍生生物柴油与功能性纳米颗粒结合的研究仍然较少。

在这种背景下，本研究提出了一个综合实验框架，将第三代微藻生物柴油与钛酸钡纳米颗粒辅助燃烧相结合，并应用RSM方法对发动机性能和排放进行多响应优化。通过关注实际发动机负载下的低纳米颗粒浓度，这项工作通过将燃料配方、功能性纳米颗粒效应和统计优化结合在一个系统方法中，推进了当前的研究。

材料与方法

生物柴油是通过商业供应的微藻油进行酯交换反应制备的。所制备的生物柴油和燃料混合物使用气相色谱-质谱（Gas Chromatography–Mass Spectrometry, GC-MS）和傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）进行了表征。此外，在进行发动机测试之前，还研究了柴油、生物柴油和富含纳米颗粒的燃料混合物的物理化学性质。

结果与讨论

在本节中，系统研究了钛酸钡纳米颗粒（BaTiO₃ NPs）对发动机性能和排放响应的影响，使用了柴油/生物柴油燃料组合。实验在单缸柴油发动机上进行，发动机负载范围从500瓦到3000瓦。向含有20% SMO生物柴油和80% 商业柴油的燃料混合物中添加了50、100和150 ppm的钛酸钡纳米颗粒。收集的数据用于评估其效果

结论

本研究系统地研究了钛酸钡纳米颗粒（BaTiO₃ nanoparticles）和微藻衍生生物柴油对柴油发动机性能和排放特性的综合影响。结果表明，将功能性纳米颗粒与可再生生物燃料结合使用可以有效改善燃烧性能，同时减轻通常与含氧燃料相关的排放问题。

实验结果表明，添加钛酸钡纳米颗粒会影响燃烧过程

作者贡献声明

萨梅特·乌斯卢（Samet Uslu）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，软件应用，方法论设计，实验研究，概念构思。拉赫曼·恰尔汉（Rahman ?alhan）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，软件应用，方法论设计，实验研究，概念构思。阿赫梅特·卡南（Ahmet Canan）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论设计，实验研究，概念构思

未引用的参考文献

[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [21], [23], [24]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。