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生物柴油

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生物柴油Biodiesel),是用未加工过的或者使用过的植物油以及动物脂肪通过不同的化学反应制备出来的一种被认为是环保生质燃料。这种生物燃料可以像柴油一样使用。[1][2]

制程

菜油甘油三酯之转酯化反应(英语:Biodiesel transesterification)
菜油甘油三酯转酯化反应英语Biodiesel transesterification
生质柴油制程
生质柴油制程

生产生物柴油分别为酯交换反应氢化裂解、不使用催化剂的超临界方法、e-柴油、高温分解、微乳状液等方法。生物柴油最普遍的制备方法是酯交换反应。由植物油和脂肪中占主要成分的甘油三酯(一般是甲醇)在催化剂存在下反应,生成脂肪酸酯英语fatty acid ester。脂肪酸酯的物理和化学性质与柴油非常相近甚至更好。

酯交换反应是将植物油和甲醇乙醇混合,生成脂肪酸酯,即生物柴油。催化剂可以是,也可以是,但是由于碱催化的转化率更高(>98%),若要提高为98%转化率必需二级反应以上,通常一级反应酯化率在98%以下,而且常压反应,没有中间步骤,对设备的要求也低,因此一般是采用碱催化反应。

回锅油、废弃食用油转化
  • 利用微波加热,加入3~4%的甲醇做为催化剂,以固态氧化锶为触媒,将5公升废食用油转化成3公升生质柴油以及2公升甘油,耗电量仅0.3度,约1.2新台币。至于氧化锶触媒为固态性质,可以重复使用,没有二次污染问题。[3][4][5][6]

历史

  • 实验室中通过转酯化反应研制出的生物柴油
    实验室中通过转酯化反应研制出的生物柴油
  • 空间填充模型,亚油酸甲酯,一种产生于豆油或菜籽油和甲醇的常见的甲基酯。
    空间填充模型,亚油酸甲酯,一种产生于豆油或菜籽油和甲醇的常见的甲基酯。
  • 空间填充模型,乙酸乙酯,硬脂酸或硬脂酸乙基酯,一种产生于豆油或菜籽油和乙醇的乙基酯。
    空间填充模型,乙酸乙酯,硬脂酸或硬脂酸乙基酯,一种产生于豆油或菜籽油和乙醇的乙基酯。

1853年,两个化学家E达菲(E. Duffy)和J.帕特里克(J. Patrick),第一次试验成功将植物油酯交换制造肥皂。[7]

西元1876年德国工程师鲁道夫·狄塞尔(Rudolf Diesel)发明了柴油引擎,最初使用花生油当燃料,但花生油成本太贵,难以与汽油竞争,后来便使用石化柴油做为燃料。用油脂来做为现今柴油引擎的燃料会遇到一个问题,油脂的黏度太高难以喷成细雾状使用,1990年后开始使用转脂化技术将高黏度的油脂转化为低黏度的单链脂肪酸甲酯,做为柴油引擎的原料使用,因此各国皆开始利用为加工过的油脂或者是废弃的油脂经炼成生质柴油。[8][9][10]当时,为纪念该次活动,宣布8月10日为“国际生物柴油日”。[11][12]

原料

生产生物柴油的原料往往根据各地区可以得到的原料种类不同而不同。实际产油效率和技术不同。下面列出了一些国家和地区所采用的主要原料:

从原理上说,未经加工的植物油只能在柴油发动机里短期直接使用。这是由于植物油含有饱和度不同的物质而会使柴油发动机上的润滑油发生聚合。而且植物油和柴油分子结构不同,这也可能造成雾化不良、燃烧不完全、喷嘴英语Nozzle堵塞等问题。

产油效率

原料每亩产油效率(收率)引向原料以后的工业化和市场化的可行性,因为产量必须能够供应给整个国家或全世界。以下是现有技术所能够出产的原料效率:

使用

  • 一张贴在京都市营巴士车窗上的布告,说明此车使用生物柴油作为燃料,并鼓励大家踊跃回收炸天妇罗废油作为原料。
    一张贴在京都市营巴士车窗上的布告,说明此车使用生物柴油作为燃料,并鼓励大家踊跃回收炸天妇罗废油作为原料。
  • 一辆位于蒙特利尔的生物柴油动力巴士
    一辆位于蒙特利尔的生物柴油动力巴士
  • 使用生物柴油运行的巴士
    使用生物柴油运行的巴士
  • 老式柴油梅赛德斯因在生物柴油上行驶而广受欢迎
    老式柴油梅赛德斯因在生物柴油上行驶而广受欢迎
  • 在某些国家,生物柴油比常规柴油便宜
    在某些国家,生物柴油比常规柴油便宜

生物柴油一般不是直接作为燃料使用;而是与普通柴油混合使用。一个公认的经验值是调和20%生物柴油(B20,参见B100。但是这个比例在使用有毒性成分的生质柴油时,可能会有争议,例如非食品级的蓖麻油可能含有蓖麻毒素,如果燃烧不完全,可能导致安全性隐忧。因此在台湾采用98:2的低混合比[21]

生质柴油另一个环保优势,是其可降低引擎废气排放。生物柴油几乎“没有含硫化物”,排放的废气自然也没有硫化物。研究显示如果用20%生质柴油的比例混合的话,柴油引擎NOx排放会增加2%,但微粒排放会降低15%,碳氢化合物排放会降低30%,一氧化碳的排放会降低20%,硫氧化合物的排放量会降低20%

如果生质柴油的来源是“回锅油[22],可以减少餐厅换油成本,减少油炸用油的健康风险。以台湾为例,大统长基公司2013年问题油品约140万瓶油品,后续分别有2680公吨作为生质柴油(B2合成燃料、39公吨作为马路标线用料及机械润滑油[23]

一般认为,生物柴油的优点在于可以减少“一氧化碳等废物”的排放量,而且运输也比普通柴油安全。此外,研究发现,生物柴油的润滑性能很高。有趣的是,调和5%以内可以提高润滑性能,但是如果高于5%,润滑性能却不再增强。

生质柴油在制作时必须将酸价给控制在0.50mgKOH/g以下,酸价过高会有腐蚀性。

问题

燃料、食物生产互斥

虽然生物柴油的开发作为一种替代能源被业界看好,但是却鲜有生产商业化的例子。这主要来自植物油的成本。植物油的采购、运输、储存以及提取占了生物柴油生产的大部分成本。但是也有观点认为,由于生产生物柴油,需要大量的植物油原料,因此势必需要兴建种植园,因而可以带动相关的农业生产。

黏滞系数

生物柴油也存在一些技术限制,不适应很多地区。由于它比普通柴油粘度高,因此在低温下会降低可用性。如同鸡汤、红烧肉放到冰箱冷藏,油脂会凝结成白色黏稠状,学术上的名词就叫做“云化”(cloud),凝结的温度则叫做“云点”(cloud point)。石油基柴油的云点大约在摄氏零下15度,而100%生质柴油B100在摄氏零度时便会开始云化,低温时很容易堵塞汽车油路。在冬天使用生物柴油必须加入添加剂或者其他的保温措施。而在湿热环境下,长期储存生物柴油还需要考虑到抑制微生物细菌的滋生。

能量值

生质柴油另一个劣势,是B100的蕴含能量比石油基的柴油燃料低11%,最大马力输出大约会减少5-7%。但这个差距并不大,如果是使用5%生质柴油更几乎没有差别。反而是生质柴油的黏性大于石油基柴油,对燃喷射料系统和引擎元件能提供较好的润滑性,延长引擎系统寿命。许多车主指定使用B2柴油(2%生质柴油,98%石油基柴油),目的就是在帮助润滑引擎。而前面提到美国小学生乘坐的这些大豆动力车,则是使用B5到B30的柴油。

开发成本

为协助生物柴油的开发,在不少国家(如加拿大南韩等)都会投入生物科技工业园的发展,透过把相关物料的生产和开发的过程放在一起,以减低生物柴油的开发成本。

低温胶化

当生物柴油因环境温度降低到某一程度以下时,油品中一些分子聚集并形成晶体。一旦晶体变得大于可见光波长的四分之一,油品出现混浊状态的结晶温度,通称为“浊点”(cloud point,或称“云点”)[24]。例如,由牛油棕榈油生产的生物柴油分别在16 °C(61 °F)和13 °C(55 °F)时凝结胶化[25]

油路堵塞及沉积物增生

在台湾推广生质柴油后,由于有车主反应使用B2生质柴油常有油路堵塞及引擎容易熄火的问题,加油站业者亦有油槽沉积物增生、加油机滤器阻塞之案例。

虽然还无法证实与生质柴油的制造或储运过程还是与气候或车主保养、加油站业者之管理有关,但2014年5月5日,经济部仍决定公告修正“石油炼制业与输入业销售国内车用柴油掺配酯类之比率实施期程范围及方式”,将强制添加生质柴油2%以上之命令,改为车用柴油得掺配酯类。从2014年5月起逐步停供B2生质柴油,以后待问题解决后再重新供应生质柴油。[26][27][28]

2014年10月,零售加油站及游览车业同声反对恢复销售及使用生质柴油,游览车公会全联会则强调,使用近一年时间已发生过500多件行驶中熄火的伤害事件。[29][30][31][32]

道德及环保争议性

生物柴油的大量使用会让许多原本生产食品的农地改种植经济作物,很可能造成粮价上涨,威胁贫穷人口:而开垦新的农地则会破坏生态,而一些研究显示,开垦新农地所制造的二氧化碳可以提供这块农地上的作物吸收数十年,换句话说就是在环保上不值得。

可能避免负面效应的方法是采用痳疯树提供油脂(痳疯树生产的油脂有毒、不可食用),痳疯树不但产油效率佳,而且可以在贫瘠缺水的环境生存,换句话说就是可以利用无法种植作物的土地。但有些人认为就算是采用具有类似痳疯树特性的植物生产生质柴油,还是有降低粮食生产的可能性,因为有些第三世界国家的农民会在经济利益的驱使下,将原本用来种植作物的土地给拿来改种痳疯树。另一种可行方案是种植辣木

利用废弃物(例如废油)生产生物柴油几乎无环保及道德上的缺点;还可以减少商人使用回锅油地沟油的诱因。但是回收废油及废油内部不纯物仍然是问题。

未来发展

未来可能利用藻类(如海藻)生产生质柴油,以增加生质能源效率,和减轻生质能源可能对农产品价格的影响。但除了技术上还需突破外,由于生产的藻类很可能是基因改造品种,因此预防这些藻类混入生态系统也是个课题。[33][34][35][36]

参看

参考文献

  1. ^ Hydrocarbon Processing, Feb., 2005
  2. ^ 汽车购买指南杂志,2005年七月号,史丹福专栏。
  3. ^ 3.0 3.1 废油变生质柴油 成大提新技术页面存档备份,存于互联网档案馆),2013年10月31日,中央通讯社,记者杨思瑞,台南,[1]
  4. ^ 4.0 4.1 废食用油转化生质柴油技术 成大团队研发有成页面存档备份,存于互联网档案馆),2014年09月05日,陈惠珍,[2]
  5. ^ 5.0 5.1 废食用油 可转化生质柴油页面存档备份,存于互联网档案馆),2014年09月06日,洪荣志╱台南,[3]yahoo页面存档备份,存于互联网档案馆
  6. ^ 6.0 6.1 成大研发废食用油转化生质柴油 互联网档案馆存档,存档日期2014-10-04.,2014年09月05日,联合报,记者郑维真,[4]
  7. ^ HISTORY OF BIODIESELS. 
  8. ^ Patrick Duffy: XXV. On the constitution of stearine. In: Quarterly Journal of the Chemical Society of London. 5, 1853, p. 303, doi:10.1039/QJ8530500303
  9. ^ Rob. Henriques: Über partielle Verseifung von Ölen und Fetten II. In: Zeitschrift für Angewandte Chemie. 11, 1898, p. 697–702, doi:10.1002/ange.18980113003.
  10. ^ [5],2014-10-18
  11. ^ http://www.daysoftheyear.com/days/biodiesel-day/
  12. ^ International Biodiesel Day 互联网档案馆存档,存档日期2013-03-10.
  13. ^ DOE quoted by Washington Post in "A Promising Oil Alternative: Algae Energy". [2008-08-07]. (原始内容存档于2017-12-16). 
  14. ^ Thomas F. Riesing, Ph.D. Algae for Liquid Fuel Production. Oakhaven Permaculture Center. Spring 2006 [2006-12-18]. [永久失效链接] Note: originally published in issue #59 of Permaculture Activist
  15. ^ Herer, Jack, "The Emperor Wears No Clothes", Ah Ha Publishing, 1985.
  16. ^ Klass, Donald, "Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals",page 341. Academic Press, 1998.
  17. ^ Kitani, Osamu, "Volume V: Energy and Biomass Engineering, CIGR Handbook of Agricultural Engineering", Amer Society of Agricultural, 1999.
  18. ^ 18.0 18.1 18.2 18.3 18.4 Biofuels: some numbers. [2008-08-07]. (原始内容存档于2008-08-29). 
  19. ^ [www.ces.purdue.edu/extmedia/ID/ID-337.pdf Purdue report ID-337]
  20. ^ Biodiesel Yields Even Higher Energy Balance
  21. ^ 经济部公告修正“石油炼制业与输入业销售国内车用柴油掺配酯类之比率实施期程范围及方式”
  22. ^ 发展生质能源作物之展望页面存档备份,存于互联网档案馆) - 农业生技产业资讯网 - 行政院,[6]
  23. ^ 大统问题油 变身千吨生质柴油页面存档备份,存于互联网档案馆),CNA,2014-09-22,ltn Archive.is存档,存档日期2014-09-22
  24. ^ 袁明豪; 陈奕宏. 蔡美瑛 , 编. 生質柴油的冰與火之歌. 科技大观园. 中华民国科技部. 2017-01-12 [2017-06-22]. 
  25. ^ Sanford, S.D., et al., "Feedstock and Biodiesel Characteristics Report," Renewable Energy Group, Inc., www.regfuel.com (2009).
  26. ^ [7],2014-10-12
  27. ^ 存档副本. [2014-10-29]. (原始内容存档于2014-10-29). ,2014-10-12
  28. ^ http://web3.moeaboe.gov.tw/ECW/populace/Law/Content.aspx?menu_id=1078
  29. ^ [8],2014-10-21
  30. ^ [9]页面存档备份,存于互联网档案馆),2014-10-22
  31. ^ 存档副本. [2014-10-29]. (原始内容存档于2014-10-29). ,2014-10-22
  32. ^ [10],2014-10-22
  33. ^ 丰田研发海藻作优质生物燃料, 亚洲时报
  34. ^ 复旦大学:海藻浒苔可望提炼出生物油,中国经济网
  35. ^ 首架纯生物燃料飞机欧洲试飞 完全采用海藻生物燃料[永久失效链接], 大公报
  36. ^ [11],2014-10-12,[12][13]

外部链接

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