由Musa champa ash提取物改性的膨润土（MCA@Bentonite）作为从废弃食用油合成生物柴油的潜在催化剂

《Sustainable Chemistry One World》：Musa champa ash extract modified bentonite clay (MCA@Bentonite) as potential catalyst for biodiesel synthesis from used cooking oil

该研究利用农残莫桑比克香蕉灰水浸渍膨润土制备低成本异质催化剂，以废食用油为原料进行酯交换反应。通过FT-IR、SEM-EDS、BET和XRD表征证实催化剂结构稳定，在65℃、7wt%负载量、9:1甲醇油摩尔比下实现94.15%±0.41%的生物柴油产率，活化能为48.296 kJ/mol-1，催化剂可循环使用3次且产物符合行业标准。

　　

乌莎·德维·巴苏马塔里（Usha Devi Basumatary）| 苏贾塔·布拉玛（Sujata Brahma）| 拉朱·阿里（Raju Ali）| 比卡什·钱德拉·穆沙哈里（Bikash Chandra Mushahary）| 桑迪普·达斯（Sandeep Das）| 比普尔·达斯（Bipul Das）| 桑杰·巴苏马塔里（Sanjay Basumatary）

印度阿萨姆邦科克拉杰哈尔（Kokrajhar）博多兰大学（Bodoland University）化学系，邮编783370

摘要

在本研究中，研究人员利用浸渍了农业废弃物的粘土合成了一种经济上和环境上均可行的生物柴油生产催化剂。这种新型低成本异质催化剂是通过将浸渍了Musa champa灰烬（MCA）水提取物的膨润土粉末（MCA@Bentonite）进行煅烧制备得到的。通过FT-IR、SEM-EDS、BET和XRD等先进技术对合成催化剂进行了表征。在优化反应条件下（温度65℃、催化剂负载量7 wt%以及甲醇与油的摩尔比为9:1），该催化剂能够实现94.15 ± 0.41%的生物柴油产率和96.30%的生物柴油转化率。生物柴油的表征通过FT-IR和¹H NMR分析完成。此外，还测定了合成甲酯的物理化学性质，结果符合生物柴油的标准要求。MCA@Bentonite催化的UCO甲醇分解的活化能（Ea）计算为48.296 kJ mol^?1，前指数因子（A）为3.31 × 10² s^?1。可重复使用性测试表明该催化剂可连续使用三次，显示出其在大规模生物柴油生产中的潜力。

引言

全球范围内，经济增长、生活水平提高和人口增长显著增加了能源需求和总能源消耗[1]。这一趋势导致了化石燃料储备的枯竭。根据2016年国际能源展望（IEO 2016）的预测，到2040年全球市场能源消耗量预计将增加48%。能源需求增加、原油价格波动、环境污染以及化石燃料供应的快速减少等因素推动了向替代能源的转变[2]。其中，生物柴油因其可持续性、可生物降解性和环保性等优势而成为一种可行的替代品。生物柴油是由植物油和动物脂肪中的甘油三酯制成的长链脂肪酸烷基酯。酯交换反应是生产生物柴油最常用的方法，该方法在适当催化剂的作用下使甘油三酯与醇发生反应，生成生物柴油（通常称为脂肪酸烷基酯，FAAE）和甘油（副产品）[3]。大规模生产生物柴油会产生大量甘油，而甘油作为化妆品、奶酪等多种产品的原料以及饮料和食品中的溶剂具有很高的需求[4]。

原料的选择是生物柴油生产中的一个重要且关键的因素。为此，许多可食用油已被用于高产量的生物柴油生产。然而，使用可食用油会引发能源需求与食品供应之间的矛盾，从而导致经济失衡。因此，人们开始探索和使用各种非可食用油，因为它们比可食用油更易获取且成本更低[5]。此外，动物脂肪和废弃烹饪油（UCO，也称为使用过的烹饪油）也因易于获取和低成本而受到越来越多的关注[6]。然而，酒店业的快速发展产生了大量废油，如果处理不当，可能会造成严重的环境问题。此外，与任何植物油相比，使用UCO可以将生物柴油的生产成本降低60%，同时解决食品与燃料之间的矛盾，并减少废物排放[7][8]。例如，郭等人[9]报告了使用UCO作为原料生产低成本生物柴油的有效方法。因此，在本研究中选择UCO作为原料，以提高低成本能源的可行性。

在甘油三酯的酯交换反应中，常用的催化剂包括均相催化剂、异相催化剂和酶[6]。均相催化剂难以分离和重复使用，而酶催化剂需要低温环境（< 330 K）。相比之下，异相催化剂易于分离和重复使用，且能耗和水耗较低[10]。鉴于不同催化剂的这些缺点，通常推荐在超临界条件下进行酯交换反应，但该过程需要较高的醇含量，这会显著增加总生产成本。因此，许多研究人员研究了从农业废弃物合成的异相催化剂。例如，阿苏科等人[11]提到了使用发酵过的可乐果壳制备可持续生物柴油。同样，拉斯卡尔等人[12]报道了使用Mangifera indica果皮作为异相催化剂从大豆油中合成生物柴油。催化活性归因于K₂O和K₂CO₃。此外，布阿斯里等人[13]成功研究了使用金苹果蜗牛壳和香蕉皮提取的CaO-K₂O组合从Jatropha curcas油中合成生物柴油。这类异相催化剂在大规模生物柴油生产中具有经济可行性。

天然存在的粘土作为生物柴油生产中的催化剂和催化剂载体受到了广泛关注。不同类型的粘土，如膨润土、高岭土、滑石、白云石和沸石已被广泛用于生物柴油生产[6][14]。其中，膨润土因其低成本、易获取性和高稳定性而特别受欢迎[14]。除了高孔隙率和大表面积外，它还含有MMT（蒙脱石）和蒙脱石矿物等成分，使其适合作为催化剂[6][10][14]。由于无毒性和低成本，膨润土可以通过多种方法改性以改善其结构和性能，从而更适合催化应用[15]。已有研究通过不同的改性技术改进了基于粘土的催化剂。例如，纳伊姆等人[14]报道了使用过硫酸铵（APS）浸渍的膨润土作为异相催化剂将UCO转化为生物柴油。在另一项研究中，索塔雷乔等人[16]使用浸渍法制备了KOH/膨润土（1:4）催化剂，以3%的催化剂负载量、6:1的甲醇与油摩尔比和60℃的反应条件，实现了90.70 ± 2.47%的生物柴油产率。同样，乌拉克帕等人[6]开发了NaOH/膨润土催化剂，在60℃和9:1的甲醇与油摩尔比下，使用4 wt%的催化剂产出了91.2%的生物柴油。这些策略证明了改性粘土基催化剂的催化活性得到了提升。然而，粘土的化学改性在经济上不可行，因为这会显著增加生物柴油的生产成本。为了克服这一限制，可以利用广泛可获得的农业废弃物（如Musa champa）的灰烬提取物来改性膨润土。灰烬提取物可以提供复杂的碱性物质和碱土金属混合物，为异相催化剂的制备提供经济高效且环保的替代途径。

本研究旨在使用膨润土和Musa champa灰烬的水提取物合成一种异相催化剂。传统的碱法制备膨润土以生成合适的固体基底异相催化剂涉及使用昂贵的化学品，这会增加生物柴油生产的总成本。为此，本研究采用了一种新颖且经济高效的方法，即将M. champa灰烬的水提取物浸渍到膨润土中，以制备用于从废弃烹饪油（UCO）中合成生物柴油的固体基底异相催化剂。目前尚无相关文献报道这种方法，因此这是首次采用这种途径。通过酯交换反应使用甲醇合成了UCO的甲酯，并优化了催化剂用量、甲醇与油的摩尔比和反应温度。优化后，测试了催化剂的重复使用能力。利用FT-IR、SEM-EDS、BET和XRD等技术研究了合成催化剂的不同特性。最后，确定了制备的生物柴油的物理化学性质，并将其与ASTM D6751和EN 14214标准进行了比较。

材料

2025年1月，从印度阿萨姆邦奇兰区（Chirang district）的Fulguri村购买了Musa champa植物的茎秆。废弃烹饪油（UCO）来自印度阿萨姆邦科克拉杰哈尔镇（Kokrajhar town）的餐厅。石油醚（40–60℃）等化学品和溶剂从Avantor Performance Materials India Private Ltd.（马哈拉施特拉邦，Maharashtra）购买；甲醇（≥ 99.0%）、丙酮和无水硫酸钠从Merck Life Science Private Limited（孟买，Piroshanagar）购买；

XRD分析

进行XRD分析是为了检测MCA、膨润土和MCA@Bentonite中的主要结晶成分。相应的图谱见图3。分析结果显示存在KCl、K₂CO₃、CaO、CaCO₃、SiO₂、K₂O、蒙脱石（MMT）和滑石。记录的XRD图谱与以往的研究数据进行了对比。在MCA中观察到的2θ值为29.72、31.79和34.92的峰是由于K₂CO₃的存在。

MTOMR的影响

在本研究中，为了探究MTOMR的最佳水平，进行了多种反应，使用了不同的MTOMR比例（如3:1、6:1、9:1、12:1和18:1），催化剂负载量为5 wt%，反应温度固定为65℃（见图8）。结果表明，随着MTOMR比例从3:1增加到9:1，酯交换反应时间从69.33 ± 1.15分钟减少到21.00 ± 1.73分钟，生物柴油产率从80.01 ± 0.98%增加到92.79 ± 1.21%。最低产率出现在

FT-IR研究

UCO及其生物柴油的FT-IR光谱见图13。在UCO和生物柴油的光谱中，分别在1745 cm^?1和1743 cm^?1处出现的峰是由于羰基（C=O）的伸缩。峰位置的移动表明UCO转化为了甲酯[47]。在UCO和甲酯中都观察到一个宽峰，位于3465 cm^?1，这是由于其中含有水分子[43]。烯烃的伸缩频率

成本分析

为了研究大规模生产的经济可行性，估算催化剂制备和生物柴油生产过程中的费用至关重要[54]。相关步骤及其描述在表S2中列出。成本以印度卢比（?）和美元（$）计算，基于2025年1月17日的汇率。生物柴油生产成本的近60%取决于原材料

结论

本研究使用浸渍在膨润土中的M. champa灰烬提取物制备了生物柴油。FT-IR表征显示MCA@Bentonite中含有MCA和膨润土中的峰，略有变化，证实了MCA成功浸渍到了膨润土中。通过XRD、FT-IR和EDS研究确认了K和Ca以碳酸盐、氧化物和氯化物的形式存在，这些成分发挥了重要作用

CRediT作者贡献声明

乌莎·德维·巴苏马塔里（Usha Devi Basumatary）：撰写——原始草稿、方法论、实验设计。苏贾塔·布拉玛（Sujata Brahma）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构建。拉朱·阿里（Raju Ali）：数据分析。比卡什·钱德拉·穆沙哈里（Bikash Chandra Mushahary）：撰写——审稿与编辑。桑迪普·达斯（Sandeep Das）：撰写——审稿与编辑。比普尔·达斯（Bipul Das）：撰写——审稿与编辑、数据分析。桑杰·巴苏马塔里（Sanjay Basumatary）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念构建。

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所述的工作。

致谢

作者感谢古瓦哈提（Guwahati）Pandu学院化学系提供的FT-IR分析；NEHU的SAIF提供的¹H NMR分析；古瓦哈提大学（Gauhati University）的SAIF提供的XRD分析；以及博多兰大学（Bodoland University）生物技术系的Biotech Hub提供的SEM-EDS分析，用于催化剂和生物柴油的表征。