生物柴油和燃料乙醇

2009年,第12期知识介绍53生物柴油和燃料乙醇王晓波,马子川,张英锋(1.河北师范大学化学与材料科学学院,河北石家庄0500162.河北省秦皇岛市第一中学,河北秦皇岛06000摘要:石油产品一直是汽车的主要燃料,但石油资源紧缺及其使用所带来的一些环境问题使人们不得不去努力寻找新型可再生能源,生物质能源就是其中的一种。本文介绍了生物柴油和燃料乙醇的性能,以及用酯交换法和发酵法生产生物柴油和燃料乙醇的方法。关键词:生物质能源;生物柴油;燃料乙醇;酯交换;发酵文章编号:1005-6622009)12-0053-03中图分类号:0623.624文献标识码:E石油是主要的化石能源之一,一直以来都推动如此看来,生物质能也是太阳能的一种转化形着工业和社会的发展,尤其在给养汽车燃油方面更式,太阳能资源可以说是取之不尽的,而生物质资是大显身手。然而,化石能源分布的不均匀性和紧源又具有可再生的特点,所以说生物质能也是可再缺问题已经成为制约人类可持续发展的主要因素之生的,具有很大的应用潜力。目前,生物质能源的一。21世纪之初,伊拉克战争的爆发就是人类争夺开发转换方式主要有三种生物质汽化、生物质固石油资源的一个例子。因此积极开发新能源已迫在化和生物质液化,而汽车的新燃料生物柴油、燃料眉睫。生物质能源作为一种可再生的石油替代能乙醇就是通过生物质液化技术而来的°源,已经逐渐走进了人们的视野,它既可持续使用生物柴油的最新定义为:以生物质为原料,经而且不受地域的限制,还十分环保,其中燃料乙过物理、化学和生物技术方法,制备成具有与化石醇、生物柴油正在成为汽车的主要燃料。柴油相似性质,并且可以替代化石柴油应用于交通1生物质燃油运输等行业的液体燃料油。与化石柴油相比,生一直以来,几乎所有汽车“喝”的都是石油产物柴油作为汽车的新食粮的最大优点是,汽车“消品,据统计,在石油产品中,汽油的85%-90%和化”后的产物更环保在普通柴油中添加20%的生柴油的30%均被汽车所消耗,然而,地球上蕴藏物柴油,便可减少排放二氧化硫70%,降低空气毒的可开发石油资源却只剩下几十年的寿命,石油资性90%。另外,生物柴油本身也非常容易被自然源的紧缺已经影响了它自身的发展,而且使用石油界的微生物分解而不会污染环境,而且生物柴油还产品所带来的环境问题也日益突出:石油的主要元可再生,可为汽车提供充足的食粮。那么,生物柴素是碳氢,但也有微量氧、氮、硫等元素。碳的完油的使用会使汽车“营养不良”而影响汽车的性能全燃烧产物二氧化碳与温室效应有关,硫的燃烧产吗?事实上是不会的。生物柴油具有良好的燃烧性物二氧化硫与酸雨的形成有关,氮的燃烧产物也对能,其燃烧性要好于化石柴油,能提供更多的有效空气造成污染,伤害人的身体健康。因此,积极寻功率,而且,无论是其燃烧状态还是燃烧的残留找一种石油的替代资源来作为汽车的新食粮就势在物,都有助于延长发动机和发动机油的使用寿命。必行了。除这些之外,生物柴油加热产生的蒸汽的着火的温生物质资源是指可再生的有机物质资源,包括度比较高,也即闪点高。所以,生物柴油不属于危农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便、有机废险品,在运输和使用过程中更安全。正是由于生物弃物等,可以储存由光合作用产生的能量。由于这柴油的这一系列优良特性,自1988年生物柴油诞些能量储存于生物质中,故称之为生物质能。光合生以来,到2005年全球生物柴油的产量已达240作用是地球上的绿色植物、藻类和光合细菌吸收太万吨,而且它正在进入快速增长的时期。阳光并把空气中的二氧化碳和土壤中的水转换成碳汽车的另一种主要新型燃料便是燃料乙醇。如水化合物,使太阳能转化成碳水化合物中的化学果说大家对燃料乙醇还比较陌生,那么对乙醇或者能,储存在生物质中。其反应式为6CO2+H2O→酒精应该是非常熟悉了。所谓燃料乙醇就是指将95602+ch12O6+1840kjmol%的乙醇进一步脱水而得,同时为了避免燃料乙醇54化学教学2009年,第12期流入食用酒精市场,需在燃料乙醇中加入变性剂临界条件下,甘油三酯中的甘油被其他短链醇(主(适量汽油)形成变性燃料乙醇燃料乙醇可单独要为甲醇)替换掉从而生成新的酯类物质,也因此作为汽车燃料,也可与汽油混合作为混合燃料。同称之为酯交换法。均相催化制取生物柴油的主要工生物柴油一样,乙醇也是一种环保的可再生燃料:艺流程如图2所示:乙醇燃料的放热量要比汽油低,但乙醇中含有氧,甲醇、氢氧化钠与普通汽油混用,一方面可以使汽油中原来不可完提纯甲酯相干燥生物全燃烧的部分充分燃烧,抵消了自己少放出的热原前处理预处理酯交换分液量,另一方面可减少汽车一氧化碳、碳氢化合物的油后油排放,真可谓“有过之而无不及”。同样,乙醇燃甘油相提纯纯甘油料的使用也有利于延长车辆主要部件的使用寿命。图2燃料乙醇作为发动机燃料始于20世纪30年代,但生物柴油的原料可以是大豆、油菜籽等油料作真正受到人们的重视是在20世纪70年代,其中开物果实,油棕、黄连木等油料林木果实,工程微藻发应用比较有特色的当属巴西:到1991年,巴西乙等水生植物,以及动物油脂、废餐饮油等。这些原醇产量已达130亿升,在980万辆汽车中,近400料油中通常会含有相当数量的脂肪酸和水,在这种万辆为纯乙醇汽车,其余大部分汽车燃用的是20情况下,若直接用碱催化制取生物柴油,脂肪酸与%的乙醇加汽油混合燃料,乙醇燃料已占汽车燃料催化剂碱反应是必然的,且反应后整个体系的物质消费量的50%以上混在一起变浊,即发生乳化现象,这一方面会抑制生物柴油和燃料乙醇的性能非常符合当前社会碱的催化作用,另一方面会给以后的分液等操作带发展对能源的要求,汽车能够找到如此好的新食来不便。另外,水也会与原料油中的主要成分油脂粮,何愁会“挨饿”,也不必担心自己被“限行”作用生成脂肪酸,既消耗了有效成分,还加剧了乳了。但生物质能源的开发利用技术仍处在发展时化现象。看来原料油的前处理是十分必要的,这就期,下面就生物柴油和燃料乙醇的几种制备方法作像我们做一道菜,尽管你的烹饪技艺很好,如果你简单介绍。选的材料最初没有清洗处理好,那么是不会做出美2化学法制生物柴油味佳肴的。所以,生物柴油的制取中原料油一般要生物柴油是一种酯类物质,主要为脂肪酸甲先经过脱水、脱酸的处理,常用的方法有蒸馏法和酯,化学式为 RCOOCH33,它主要是由棉籽油、菜预酯化法。前者是把油酸和水加热转化成蒸汽蒸籽油、花生油、葵花籽油等植物油或动物脂肪为原出而后者则是加入过量甲醇把游离酸消耗掉而生料制成的。在化学中,植物油与动成羧酸甲酯再进行分离。经过预处理的油便可送入物脂肪合称为油脂,是一种长碳链H2-R的脂肪酸甘油酯,其结构简式如图1R,反应器,与甲醇在碱性催化剂作用下进行酯交换。反应结束后,反应体系分为上下两层,上层即为我所示。(R1、R2、R3均为饱和或不饱CH-0R:们所需的甲酯类物质,下层为被替换掉的甘油。经1、n2和长碳链烃)。CH--R,过分离的甲酯中常含有甲醇、甘油、氢氧化钠等杂现在,生物柴油的化学制取方图1质,还要经过进一步处理(蒸馏和水洗)和干燥,法主要有高温热裂解法和酯交换法。才可得到我们的产品——生物柴油。预酯化法的反所谓高温热裂解法,顾名思义,就是在高温条件应原理为:下,使油脂的长碳链断裂为短链分子,不过此法的 RCOOH+CH,OHRCOOCH3+H20主要产品是生物汽油,而且这种方法还需控制在无生物柴油的均相酯交换法中所有反应物质均为氧或微氧的环境下才能进行酯交换法根据不同的液体,而非均相反应物的相态就不同了,这解决了制取过程与条件,主要包括均相催化法、非均相催均相反应中催化剂分离困难的弊端,但反应物接触化法、生物催化法和超临界法等面积减小了,便大大减缓了酯交换的反应速率,所以,需选取高效的催化剂。生物催化法和超临界CH2CRCOOCH,ChH法则分别是以生物酶作催化剂和超临界条件下进行CH-Cr,3,OH NaOHCoOCH,+CHH的反应。生物柴油还可用一些物理方法获得,这里便不一一赘述了。 CH-o c-R, R,COOCH, CH,OH3生物法制燃料乙它们的化学反应原理都是在催化剂作用下或超制取燃料乙醇的原料有3种来源·蔗糖等含糖2009年,第12期知识介绍55类物质;农作物秸秆、木材及其加工剩余物等含纤产品。维类物质甘薯、玉米、小麦等淀粉类物质。生产的用来发酵的微生物种类对发酵产品的质量与产主要原理是生物科学中的发酵原理,以玉米为原料量有至关重要的影响。所以,在最初阶段先要选出生产燃料乙醇的主要工艺流程及相关原理如图3品性优良的作为菌种。微生物的生长具有一定规示:律,可分为四个不同的生长阶段延滞期、对数生长糖化酶(淀粉酶)酵母期、稳定期和衰亡期。刚接入培养基的细菌并不立即生长,即有所谓的延滞期,这会延长发酵的生玉米预处理净玉米脱胚制浆淀粉浆糖化糖化产周期,影响发酵的生产效率所以,发酵工程中都使用对数期的微生物转移到发酵原料中,快速获发酵得大量个体后,再进入稳定期生产出产品。乙醇发燃料乙醇脱水发酵成熟酵中常用的微生物是酵母菌。提起酵母菌,大家应图3该也非常熟悉,我们每天吃的面包和馒头就是有酵对于玉米这种原料,相信大家是再熟悉不过母菌的参与制成的,乙醇发酵的原理为:了,但对玉米的生物结构及其物质组成,或许我们 C.H,062CH,CH2OH+2C02玉米为粮食作物,若用它为原料生产燃料乙还是要再认识一下的:玉米粒主要有种皮、胚乳、醇胚等几个基本部分组成,种皮的主要成分是纤维质醇,可能会造成汽车与人争粮的局面。所以,现在物质,胚体的胚芽其主要成分是脂肪,玉米中的淀工业上正积极发展用纤维素类物质来生产乙醇,但粉主要集中在胚乳中。淀粉是一种多糖类物质,也仍有许多技术问题尚未解决,比如,纤维素的水解是乙醇发酵的有效成分。所谓多糖,是由许多个像等。如果这些问题得以解决,那么,它的发展前途应当十分光明。葡萄糖这样的小分子糖类物质连接在一起形成的,在一定条件下如,在淀粉酶或其他化学催化剂的作4结束语用下,它还可以再分解为葡萄糖,这称之为水解反生物柴油和燃料乙醇以石油产品的替代资源身应,也是制乙醇工艺中糖化的主要原理,其反应份出现在汽车燃油领域,已逐渐被人们所接受。尽为:管它的推广还存在一些技术问题和原料短缺问题,(CHOH2淀粉酶nCH2O6但我们相信,随着自然科学的发展和技术的进步,但是,糖化对胚芽中的脂肪却不起作用。在生这些问题一定能得到很好的解决。另外,我们也不产中,如果让脂肪继续进入到发酵环节中,可能会难看出,以生物柴油和燃料乙醇为代表的生物质能所以,在生产的最源,以及太阳能、风能、水能这样的可再生新能初阶段,除对玉米进行预处理,把其中的土、石等源,也越来越受到人们的青睐和重视了。杂质除去外,还要把得到的净玉米进行机械粉碎,参考文献:然后分离出富含脂肪的胚芽部分,称之脱胚。脱去的胚芽可用来炼玉米油,剩下的玉米粉加水可制成1]冯明星汽车的发展与石油的消费石油知识2004,(24041淀粉浆。淀粉浆更易在淀粉酶的作用下糖化得到可2魏学锋张小云,罗婕等生物质燃料的开发利用现状与展望用来发酵的葡萄糖,也即糖化醪;糖化醪经过酵母节能2008:14-17发酵便得到发酵成熟醪;发酵成熟醪就是低浓度的[3]蒋剑春生物质能源转化技术与应用(1)]生物质化学工程,乙醇溶液。然后,经过各种脱水工艺便得到我们的20073:065.4]谭利伟,简保全,生物质能源的开发利用农业工程技术,最终产品燃料乙醇。2007.(1):18~27.在此工艺中,发酵应比较重要的一个环节。事[5]安文杰,许德平,王海京生物柴油化学制备方法粮食与油实上,发酵与我们的生活走得非常近,除燃料乙醇2005,:35.外,象酸牛奶、啤酒和一些药物等都是由发酵而[6]小安,蒋剑春生物质能源转化技术与应用(V)—生物柴得。发酵其实是微生物的一种特殊新陈代谢方式,油产业化制备技术生物质化学工程2008(1562它们在没有氧气的条件下,把营养物质分解为一些门黄治玲燃料乙醇的生产与利用48]胡永松,王忠彦微生物与发酵工程[M]成都四川大学出版社,特殊的物质。于是人们便把微生物的这一特性用在1987:75工业中来,大量生产其代谢产物,其一般流程为:菌种选育或活化→扩大培养→接种发酵→分离