隨著更嚴(yán)格的燃料法規(guī)出臺以及解決溫室氣體排放上升的壓力增大，海事行業(yè)必須遵守。腰果殼液（Cashew nutshell liquid）是腰果加工的一種副產(chǎn)品，展現(xiàn)出作為可再生船用燃料的前景。

本文考察了關(guān)于該來源及其與當(dāng)前柴油發(fā)動機兼容性的研究帶來的益處，作為一種當(dāng)前的解決方案。

溶劑提取和熱解有助于揭示這種液體從分子層面到與柴油相當(dāng)?shù)男仕鶐淼暮锰?，同時有望減少排放。

對腰果殼液進行增值利用為支持循環(huán)經(jīng)濟原則提供了一個機會，將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為能源。

盡管在大規(guī)模生產(chǎn)方面仍存在挑戰(zhàn)，腰果殼液衍生燃料提供了一種可持續(xù)、低成本的替代方案，有助于打造更清潔的海事行業(yè)。

引言

據(jù)報道觸及歷史低點后，全球海上貿(mào)易正進入一個增長期[1]。根據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的《2025年海運述評》，預(yù)計的增長也將是多年來的最慢速度，2025年僅增長0.5%[1]。隨著氣候壓力和法規(guī)收緊，全球經(jīng)濟和航運業(yè)的漏洞被暴露出來。

該行業(yè)面臨不斷上升的成本和運營挑戰(zhàn)，以遵守諸如《防止船舶污染國際公約》附則VI等措施，這些措施旨在限制硫氧化物排放[2]。還有國際海事組織的船舶能效現(xiàn)有指數(shù)和碳強度指標(biāo)法規(guī)[3]。此外，全球各港口也面臨壓力，例如，歐盟的監(jiān)測、報告和核查框架強制要求前往歐盟港口的船舶報告溫室氣體排放。

隨著這些法規(guī)導(dǎo)致成本增加和航線持續(xù)增加，該行業(yè)必須迅速找到解決其全球性影響的方案。最近的見解表明，航運業(yè)供應(yīng)了全球超過80%的進出口商品[1, 4]。隨著近期緩解全球溫室氣體排放增長的希望，海事行業(yè)意識到趨勢并未朝著他們希望的方向發(fā)展，面臨著來自組織的壓力，要求實現(xiàn)現(xiàn)代化或找到持久的解決方案以減少其環(huán)境影響。

為了限制海事航運業(yè)的溫室氣體排放，主流科學(xué)文獻中對合規(guī)替代燃料的研究有所增加。根據(jù)國際海事組織的數(shù)據(jù)，排放量在2020年至2021年間增長了4.7%，并在隨后幾年持續(xù)增加。這一趨勢反映在國際海事組織報告的二氧化碳數(shù)據(jù)中，如圖1所示[4]。

此外，平均船隊年齡也構(gòu)成問題，因為這些船舶的許多舊型號更容易造成更多污染，這強調(diào)了對投資以減少海事行業(yè)產(chǎn)生的碳足跡的需求。然而，一種與當(dāng)前船隊發(fā)動機兼容并作為補充解決方案的燃料，可能在此期間緩解一些環(huán)境問題。

推動脫碳已成為一場全球競賽，加劇了對可規(guī)?；锶剂辖鉀Q方案的尋找。與此同時，長期解決方案仍在深入研究之中。研究人員正在廣泛研究補充性生物燃料，以探索與發(fā)動機和船隊兼容的替代燃料來減少排放。

在堅果的廢棄流中，廢棄物也被證明相當(dāng)有益。腰果殼已被處理利用了相當(dāng)長的時間，以轉(zhuǎn)化為環(huán)保包裝和其他用途。在盛產(chǎn)堅果的許多國家和地區(qū)，如南美洲、中美洲、非洲和亞洲，這些堅果大量生產(chǎn)但很大程度上未得到充分利用[5]。外殼占堅果重量的70-75%，但盡管產(chǎn)量大且有優(yōu)勢，這些廢棄物并未得到廣泛應(yīng)用[6]。

在印度，通常缺乏能夠烘烤堅果殼的技術(shù)工人。因此，過去使用的棄置方法會因天然油脂釋放濃黑煙，造成公害甚至進一步污染[6]。如果不采用那種方法，這些外殼被傾棄到野外，隨后也可能變得有毒，污染土壤[7]。

與其造成更多污染，這種廢棄流為實踐增值概念提供了機會，將曾經(jīng)危險的廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诘膶嵱蒙锶剂蟻碓?。雖然腰果仁是最有價值的部分，但外殼也被證明具有相當(dāng)?shù)膬r值。

腰果殼液（Cashew nutshell liquid）是一種在外殼的蜂窩結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的紅棕色粘稠液體[7]。通過提取衍生出兩種類型的腰果殼液，即天然腰果殼液和工業(yè)腰果殼液，每種都含有不同豐度的酚類結(jié)構(gòu)[8]。天然腰果殼液使用己烷等溶劑基方法提?。凰玫姆宇惤Y(jié)構(gòu)包括漆樹酸和腰果二酚[8]。相比之下，工業(yè)腰果殼液則產(chǎn)生高比例的腰果酚和腰果二酚酚類結(jié)構(gòu)。

這些酚類結(jié)構(gòu)與在傳統(tǒng)石油衍生燃料中發(fā)現(xiàn)的相似。雖然未處理的腰果殼液由于其聚合物含量仍然不適合直接使用，但衍生的混合物或配方的改變作為有前途的替代生物燃料候選物出現(xiàn)[9, 10]。此外，腰果殼液燃料衍生混合物展現(xiàn)出類似柴油的特性。這些混合物呈現(xiàn)了一種可行的、低成本的替代方案，并有可能通過進一步研究得到增強和改進。

在將廢棄物產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為燃料來源方面，它也有其自身的優(yōu)勢。例如，Sanjeeva等人的一項研究表明，將動物脂肪油或純植物油與腰果殼液作為添加劑混合，可以在不需要酯交換的情況下保持穩(wěn)定超過18個月，這表明了腰果殼液直接使用的潛力。消除傳統(tǒng)的酯交換第一步不僅提供了經(jīng)濟優(yōu)勢，也提供了環(huán)境優(yōu)勢[9]。

這種液體具有許多獨特的特性，不僅酚含量高，而且分子結(jié)構(gòu)獨特，結(jié)合了芳香族酚環(huán)和疏水鏈[10]。這將腰果殼液與傳統(tǒng)生物燃料區(qū)分開來，因為許多傳統(tǒng)生物燃料通常缺乏類似石油衍生燃料的分子結(jié)構(gòu)。鏈中存在的多個反應(yīng)位點也使得無需大量處理的混合策略成為可能。

酚類化合物通常有其自身的益處，提供具有熱穩(wěn)定性和抗氧化行為的化合物，增強了燃料儲存和穩(wěn)定性，并降低了隨時間降解的能力[11]。這對于海事應(yīng)用尤其相關(guān)，因為這些燃料來源通常需要長期儲存。因此，腰果殼液衍生物可能為即時可用的船用生物燃料提供一條途徑，滿足燃料所需的耐久性和穩(wěn)定性，同時提供了一種更環(huán)保的解決方案[12,13]。

高值化利用與物理化學(xué)特性

在既往研究中，經(jīng)熱處理后的腰果殼主要由高碳生物炭構(gòu)成，通常使用甘蔗糖蜜作為粘合劑，并含有富含能量的殘留生物油，最終制成固體生物燃料。經(jīng)過溶劑（丙酮、己烷、水）提取后，分離出提取物，然后通過高效液相色譜/紫外分析確定其化學(xué)成分和燃料特性[14]。

生物炭本身含有57.70%的碳，6.09%的氫，35.81%的氧，灰分含量低至2.21%，硫含量也低，這在解決國際海事組織提及的關(guān)于當(dāng)前所用燃料來源的問題時是關(guān)鍵[14]。在這項研究中，添加甘蔗糖蜜提高了燃料塊的機械強度、內(nèi)聚力和耐水性，而未顯著影響其能量含量，有助于保持燃料塊尺寸和密度的一致性。高達35.8兆焦/千克的能量值僅是腰果殼液如何成為有價值產(chǎn)品的一個例證[7, 14]。

此外，腰果殼液因其高熱值、低灰分含量和高揮發(fā)分含量等若干特性而顯得獨特[7]。腰果殼液的一個缺點是酸度高，導(dǎo)致強腐蝕性，影響發(fā)動機性能并隨時間推移導(dǎo)致部件腐蝕損壞。研究人員試圖通過創(chuàng)建混合燃料來應(yīng)對與高酸性相關(guān)的風(fēng)險。一個例子是創(chuàng)建一種含20%腰果殼液的生物燃料混合物，表現(xiàn)出與柴油相似的特性，這也有助于其與柴油發(fā)動機的兼容性[9]。

在這項由Sanjeeva博士等人進行的研究中，探討了改善腰果殼液生物燃料特性的方法。通過創(chuàng)建混合燃料，研究如何減輕腰果殼液中聚合物含量和酸度帶來的風(fēng)險。雖然這些混合物顯示出希望，但需要進一步研究以全面評估發(fā)動機兼容性，防止可能出現(xiàn)的堵塞或效率降低等問題。探索減輕未加工腰果殼液所引發(fā)問題的潛在方法，為綠色解決方案提供了一條可能的路徑，因為海事船隊使用的大多數(shù)發(fā)動機都是柴油機。

熱解研究

盡管對腰果殼液的興趣持續(xù)擴展并超越了小眾應(yīng)用領(lǐng)域，但注意力已轉(zhuǎn)向通過熱解這種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑來釋放其全部潛力和組分構(gòu)成。熱解是一個工藝概念，涉及在無氧條件下對生物質(zhì)進行熱化學(xué)分解，主要產(chǎn)生三種產(chǎn)物：生物油、合成氣和生物炭[7,15]。該技術(shù)已被證明有利于將農(nóng)業(yè)殘余物轉(zhuǎn)化為高能量密度的燃料，支持高值化利用的理念。

與傳統(tǒng)燃燒方式不同，熱解有潛力保存原料中的能量，使其適用于燃料應(yīng)用。這對腰果殼液尤其有益，因為簡單焚燒會產(chǎn)生含油致癌煙霧。對于腰果殼，熱解工藝非常合適。最近的研究顯示了提取物對生物質(zhì)熱穩(wěn)定性的影響。與提取物含量為2-5重量%（熱帶物種中可達15重量%）的木材相比，其含量顯著低于腰果殼內(nèi)發(fā)現(xiàn)的58重量%的提取物[7]。最豐富的提取物是ACC（漆樹酸、腰果酚和腰果二酚）[7, 15]。Sangaré博士等人最近采用的分析方法也使得對單個ACC異構(gòu)體及其與熱解溫度相互影響的進一步分析成為可能，從而深入了解其化學(xué)組成和熱轉(zhuǎn)化途徑（圖2）[15]。

這些化合物含有芳香族結(jié)構(gòu)和長烴鏈，這些特性與石油衍生燃料相似，而不同于典型的生物質(zhì)衍生生物油。因此，與標(biāo)準(zhǔn)的木質(zhì)熱解油相比，腰果殼的熱解能夠產(chǎn)出化學(xué)成分更豐富、能量密度更高的產(chǎn)品[7]。

在近期的研究中，從簡單的材料表征轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的材料表征已成為重點。這使得能夠更深入地審視腰果殼液中觀察到的復(fù)雜組成。兩種類型的熱解（熱重分析和固定床熱解）有助于深化這種理解[7]。它們共同幫助研究人員了解了腰果殼液關(guān)于降解溫度、動力學(xué)和產(chǎn)物分布的重要特性，以評估這種生物燃料的規(guī)模化生產(chǎn)可行性。

雖然以往使用的熱化學(xué)途徑，如氣化或水熱液化，熱解具有優(yōu)勢，但其規(guī)?；尚行杂邢?，因為它們通常會增加工藝復(fù)雜性和成本[7]。提到的其他熱解方法可以產(chǎn)生液體和氣體的平衡混合物，而不僅僅專注于合成氣或濕生物質(zhì)。此外，它創(chuàng)造了生產(chǎn)適用于直接燃料應(yīng)用的固體產(chǎn)品的可能性。這對海事應(yīng)用是一個優(yōu)勢，因為它不僅提供一種途徑，而且還提供了生產(chǎn)可以直接升級或混合的生物油的可能性。

與許多工藝一樣，有效的熱解始于適當(dāng)?shù)脑项A(yù)處理，以確保結(jié)果能準(zhǔn)確反映其行為特性。在一項由Sangaré博士等人進行的研究中，腰果殼被冷凍在-80°C，然后研磨成1-2毫米的顆粒，以防止任何提取物泄漏[7]。提取物隨后通過索氏提取法使用三種溶劑依次進行去除，以得到不同的腰果殼組分。結(jié)果，丙酮提取物富含漆樹酸、腰果二酚和腰果酚，約占腰果殼重量的~42%[7]。相比之下，己烷和水提取物分別約占~2%和 ~18%[7]。此外，分析顯示腰果殼的低位熱值接近23.6兆焦/千克，揮發(fā)分含量為82.95重量%，碳含量為56.07%，展示了腰果殼作為高能量原料的適用性[7]。

熱解實驗使用了上述兩種方法進行：使用熱重分析儀來理解熱解動力學(xué)，以及使用固定床反應(yīng)器來量化產(chǎn)生的永久性氣體和冷凝物[7]。對于熱重分析樣品，取少于10毫克的樣品根據(jù)環(huán)境溫度（25°C至125°C）或等溫干燥程序進行加熱。對于固定床實驗，將腰果殼顆粒（<1毫米）填充到石英管中并置于反應(yīng)器內(nèi)[7]。然后以20°C/分鐘的速率將管子加熱至400°C。在加入氮氣后，使用MicroGC VARIAN CP 4900連續(xù)分析氣體，并在實驗結(jié)束時收集冷凝物[7]。

根據(jù)觀察到的成分結(jié)果，腰果殼熱解生物油因其高酚含量和芳香族結(jié)構(gòu)而在化學(xué)上具有獨特性。這些結(jié)果在其他研究中也相似[15]。ACC異構(gòu)體在丙酮提取物中占主導(dǎo)地位。這很重要，因為它提高了熱穩(wěn)定性和抗氧化能力，對船用燃料應(yīng)用有益。此外，由于腰果殼液的高熱值，其低位熱值超過了典型的木質(zhì)熱解油[7, 15]。在其他研究中，低硫含量相對于國際海事組織的法規(guī)和2050年目標(biāo)——旨在限制碳和硫足跡——提供了明顯優(yōu)勢[4]。

盡管腰果殼液確實在其未加工形態(tài)下存在挑戰(zhàn)，但結(jié)合關(guān)于燃料混合以及限制其對發(fā)動機影響的研究進展，它為海事行業(yè)提供了一種潛在的解決方案。

未來展望與結(jié)論

盡管其前景明確，但仍存在若干挑戰(zhàn)，限制了腰果殼液衍生生物燃料的使用。關(guān)于殘留酸性、腐蝕性和長期穩(wěn)定性的問題需要進一步研發(fā)[15]。由于不同地區(qū)的種植和處理方法差異，原料成分的多變性使得生產(chǎn)工藝的一致性復(fù)雜化。此外，擴大用于生產(chǎn)多種腰果殼液提取物的方法仍然在技術(shù)和經(jīng)濟上處于劣勢。

盡管研究仍在廣泛進行并需要持續(xù)的合作，但未來利用腰果殼液創(chuàng)造一種可規(guī)?；奶娲萌剂洗嬖谠S多可能性。

特別是對于海事行業(yè)，固體生物燃料在減少溫室氣體排放方面具有優(yōu)勢，提供了一種高能量的船用柴油替代品，且與現(xiàn)有發(fā)動機兼容。選擇固體生物燃料有助于提供更便捷的運輸和儲存，這在船舶上使用時至關(guān)重要。此外，對這種農(nóng)業(yè)殘余物的高值化利用有助于支持日益增強的循環(huán)經(jīng)濟原則實踐，并幫助航運公司更好地遵守日益嚴(yán)格的燃料可持續(xù)性法規(guī)[14]。

循環(huán)經(jīng)濟概念在此很有幫助，因為我們現(xiàn)在可以利用整個果實，減少傳統(tǒng)加工造成的污染，并為海事行業(yè)提供一種生物燃料以緩解環(huán)境問題[16,17]。船用燃料甚至加劇了日益嚴(yán)重的氣候變化問題。盡管仍有工作需要研究，方法有待改進以實現(xiàn)規(guī)?；鼮榭赡苡幸嬗谠撔袠I(yè)的途徑帶來了希望。

它不僅提供環(huán)境和經(jīng)濟益處，而且將其用作即用燃料的理念也有其自身優(yōu)勢。即用燃料的概念意味著無需對現(xiàn)有發(fā)動機或燃料系統(tǒng)進行重大改造即可使用，為減少碳足跡和排放創(chuàng)造了一個良好機會。與由可食用產(chǎn)品產(chǎn)生的其他生物燃料不同，其不可食用的特性也有助于減少產(chǎn)生的廢棄物量，并且長期來看不影響材料的豐度或可獲得性。

總而言之，盡管仍需改進，但腰果殼液被證明是一種有潛力的廢棄物衍生生物燃料。其獨特的結(jié)構(gòu)以及與傳統(tǒng)燃料的相似性，使其成為海事行業(yè)在優(yōu)先考慮向凈零排放未來轉(zhuǎn)型過程中的一個有前途的選擇[1,4]。更廣泛地說，腰果殼液凸顯了農(nóng)業(yè)殘余物較少被認(rèn)識的價值，鼓勵了觀念的轉(zhuǎn)變。它闡明了包括但不限于高值化利用、循環(huán)經(jīng)濟等諸多概念。它在當(dāng)前燃料與更清潔的替代品之間架起了橋梁。腰果殼液為邁向一個更低碳、環(huán)境友好的航運業(yè)提供了一個墊腳石。

掛在枝頭的腰果（圖片：pixabay）

作者簡介

Raj Shah博士是紐約科勒儀器公司的董事，他已在該公司工作了25年以上。他被同行選為美國材料與試驗協(xié)會、英國化學(xué)工程師學(xué)會、美國材料與試驗協(xié)會、美國石油化學(xué)家學(xué)會、摩擦學(xué)家和潤滑工程師學(xué)會、美國化學(xué)學(xué)會、美國國家潤滑脂學(xué)會、英國測量與控制學(xué)會、物理學(xué)會、能源研究所和皇家化學(xué)學(xué)會的會士。作為紐約州立大學(xué)石溪分校材料科學(xué)與化學(xué)工程系的兼職教授，Raj還擁有超過750篇出版物，并在能源行業(yè)活躍了超過30年。

Haile Mistry是弗吉尼亞理工大學(xué)的化學(xué)工程本科生，在制藥工藝工程、材料研究和工程推廣方面擁有經(jīng)驗。她目前在Haleon擔(dān)任工藝放大工程合作生，并在聚合物復(fù)合材料與材料實驗室擔(dān)任本科生研究員，她的工作重點是生物聚合物基納米復(fù)合材料和增材制造。

Mathew Roshan是石溪大學(xué)化學(xué)與分子工程專業(yè)的本科生。他在氣體創(chuàng)新與技術(shù)研究所進行研究，專注于Devinder Mahajan教授指導(dǎo)下的可持續(xù)能源系統(tǒng)。

Gavin Thomas是位于紐約州霍茨維爾的科勒儀器公司一個蓬勃發(fā)展的實習(xí)計劃的成員，并且是石溪大學(xué)化學(xué)與分子工程項目的應(yīng)屆畢業(yè)生。

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[2] “附則VI - 防止船舶造成空氣污染規(guī)則”。訪問日期：2026年1月4日。[在線]?？捎茫篽ttps://www.imorules.com/MARPOL_ANNVI.html

[3] “船舶能效現(xiàn)有指數(shù)與碳強度指標(biāo) - 船舶碳強度及評級系統(tǒng)”。訪問日期：2026年1月4日。[在線]?？捎茫篽ttps://www.imo.org/en/mediacentre/hottopics/pages/eexi-cii-faq.aspx

[4] “2022年海運述評 | 聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議”。訪問日期：2025年12月29日。[在線]?？捎茫篽ttps://unctad.org/rmt2022

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