随着更严格的燃料法规出台以及解决温室气体排放上升的压力增大，海事行业必须遵守。腰果壳液（Cashew nutshell liquid）是腰果加工的一种副产品，展现出作为可再生船用燃料的前景。

本文考察了关于该来源及其与当前柴油发动机兼容性的研究带来的益处，作为一种当前的解决方案。

溶剂提取和热解有助于揭示这种液体从分子层面到与柴油相当的效率所带来的好处，同时有望减少排放。

对腰果壳液进行增值利用为支持循环经济原则提供了一个机会，将农业废弃物转化为能源。

尽管在大规模生产方面仍存在挑战，腰果壳液衍生燃料提供了一种可持续、低成本的替代方案，有助于打造更清洁的海事行业。

引言

据报道触及历史低点后，全球海上贸易正进入一个增长期[1]。根据联合国发布的《2025年海运述评》，预计的增长也将是多年来的最慢速度，2025年仅增长0.5%[1]。随着气候压力和法规收紧，全球经济和航运业的漏洞被暴露出来。

该行业面临不断上升的成本和运营挑战，以遵守诸如《防止船舶污染国际公约》附则VI等措施，这些措施旨在限制硫氧化物排放[2]。还有国际海事组织的船舶能效现有指数和碳强度指标法规[3]。此外，全球各港口也面临压力，例如，欧盟的监测、报告和核查框架强制要求前往欧盟港口的船舶报告温室气体排放。

随着这些法规导致成本增加和航线持续增加，该行业必须迅速找到解决其全球性影响的方案。最近的见解表明，航运业供应了全球超过80%的进出口商品[1, 4]。随着近期缓解全球温室气体排放增长的希望，海事行业意识到趋势并未朝着他们希望的方向发展，面临着来自组织的压力，要求实现现代化或找到持久的解决方案以减少其环境影响。

为了限制海事航运业的温室气体排放，主流科学文献中对合规替代燃料的研究有所增加。根据国际海事组织的数据，排放量在2020年至2021年间增长了4.7%，并在随后几年持续增加。这一趋势反映在国际海事组织报告的二氧化碳数据中，如图1所示[4]。

此外，平均船队年龄也构成问题，因为这些船舶的许多旧型号更容易造成更多污染，这强调了对投资以减少海事行业产生的碳足迹的需求。然而，一种与当前船队发动机兼容并作为补充解决方案的燃料，可能在此期间缓解一些环境问题。

推动脱碳已成为一场全球竞赛，加剧了对可规模化生物燃料解决方案的寻找。与此同时，长期解决方案仍在深入研究之中。研究人员正在广泛研究补充性生物燃料，以探索与发动机和船队兼容的替代燃料来减少排放。

在坚果的废弃流中，废弃物也被证明相当有益。腰果壳已被处理利用了相当长的时间，以转化为环保包装和其他用途。在盛产坚果的许多国家和地区，如南美洲、中美洲、非洲和亚洲，这些坚果大量生产但很大程度上未得到充分利用[5]。外壳占坚果重量的70-75%，但尽管产量大且有优势，这些废弃物并未得到广泛应用[6]。

在印度，通常缺乏能够烘烤坚果壳的技术工人。因此，过去使用的弃置方法会因天然油脂释放浓黑烟，造成公害甚至进一步污染[6]。如果不采用那种方法，这些外壳被倾弃到野外，随后也可能变得有毒，污染土壤[7]。

与其造成更多污染，这种废弃流为实践增值概念提供了机会，将曾经危险的废弃物转变为潜在的实用生物燃料来源。虽然腰果仁是最有价值的部分，但外壳也被证明具有相当的价值。

腰果壳液（Cashew nutshell liquid）是一种在外壳的蜂窝结构中发现的红棕色粘稠液体[7]。通过提取衍生出两种类型的腰果壳液，即天然腰果壳液和工业腰果壳液，每种都含有不同丰度的酚类结构[8]。天然腰果壳液使用己烷等溶剂基方法提取；所得的酚类结构包括漆树酸和腰果二酚[8]。相比之下，工业腰果壳液则产生高比例的腰果酚和腰果二酚酚类结构。

这些酚类结构与在传统石油衍生燃料中发现的相似。虽然未处理的腰果壳液由于其聚合物含量仍然不适合直接使用，但衍生的混合物或配方的改变作为有前途的替代生物燃料候选物出现[9, 10]。此外，腰果壳液燃料衍生混合物展现出类似柴油的特性。这些混合物呈现了一种可行的、低成本的替代方案，并有可能通过进一步研究得到增强和改进。

在将废弃物产品转化为燃料来源方面，它也有其自身的优势。例如，Sanjeeva等人的一项研究表明，将动物脂肪油或纯植物油与腰果壳液作为添加剂混合，可以在不需要酯交换的情况下保持稳定超过18个月，这表明了腰果壳液直接使用的潜力。消除传统的酯交换第一步不仅提供了经济优势，也提供了环境优势[9]。

这种液体具有许多独特的特性，不仅酚含量高，而且分子结构独特，结合了芳香族酚环和疏水链[10]。这将腰果壳液与传统生物燃料区分开来，因为许多传统生物燃料通常缺乏类似石油衍生燃料的分子结构。链中存在的多个反应位点也使得无需大量处理的混合策略成为可能。

酚类化合物通常有其自身的益处，提供具有热稳定性和抗氧化行为的化合物，增强了燃料储存和稳定性，并降低了随时间降解的能力[11]。这对于海事应用尤其相关，因为这些燃料来源通常需要长期储存。因此，腰果壳液衍生物可能为即时可用的船用生物燃料提供一条途径，满足燃料所需的耐久性和稳定性，同时提供了一种更环保的解决方案[12,13]。

高值化利用与物理化学特性

在既往研究中，经热处理后的腰果壳主要由高碳生物炭构成，通常使用甘蔗糖蜜作为粘合剂，并含有富含能量的残留生物油，最终制成固体生物燃料。经过溶剂（丙酮、己烷、水）提取后，分离出提取物，然后通过高效液相色谱/紫外分析确定其化学成分和燃料特性[14]。

生物炭本身含有57.70%的碳，6.09%的氢，35.81%的氧，灰分含量低至2.21%，硫含量也低，这在解决国际海事组织提及的关于当前所用燃料来源的问题时是关键[14]。在这项研究中，添加甘蔗糖蜜提高了燃料块的机械强度、内聚力和耐水性，而未显著影响其能量含量，有助于保持燃料块尺寸和密度的一致性。高达35.8兆焦/千克的能量值仅是腰果壳液如何成为有价值产品的一个例证[7, 14]。

此外，腰果壳液因其高热值、低灰分含量和高挥发分含量等若干特性而显得独特[7]。腰果壳液的一个缺点是酸度高，导致强腐蚀性，影响发动机性能并随时间推移导致部件腐蚀损坏。研究人员试图通过创建混合燃料来应对与高酸性相关的风险。一个例子是创建一种含20%腰果壳液的生物燃料混合物，表现出与柴油相似的特性，这也有助于其与柴油发动机的兼容性[9]。

在这项由Sanjeeva博士等人进行的研究中，探讨了改善腰果壳液生物燃料特性的方法。通过创建混合燃料，研究如何减轻腰果壳液中聚合物含量和酸度带来的风险。虽然这些混合物显示出希望，但需要进一步研究以全面评估发动机兼容性，防止可能出现的堵塞或效率降低等问题。探索减轻未加工腰果壳液所引发问题的潜在方法，为绿色解决方案提供了一条可能的路径，因为海事船队使用的大多数发动机都是柴油机。

热解研究

尽管对腰果壳液的兴趣持续扩展并超越了小众应用领域，但注意力已转向通过热解这种热化学转化途径来释放其全部潜力和组分构成。热解是一个工艺概念，涉及在无氧条件下对生物质进行热化学分解，主要产生三种产物：生物油、合成气和生物炭[7,15]。该技术已被证明有利于将农业残余物转化为高能量密度的燃料，支持高值化利用的理念。

与传统燃烧方式不同，热解有潜力保存原料中的能量，使其适用于燃料应用。这对腰果壳液尤其有益，因为简单焚烧会产生含油致癌烟雾。对于腰果壳，热解工艺非常合适。最近的研究显示了提取物对生物质热稳定性的影响。与提取物含量为2-5重量%（热带物种中可达15重量%）的木材相比，其含量显著低于腰果壳内发现的58重量%的提取物[7]。最丰富的提取物是ACC（漆树酸、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对单个ACC异构体及其与热解温度相互影响的进一步分析成为可能，从而深入了解其化学组成和热转化途径（图2）[15]。

这些化合物含有芳香族结构和长烃链，这些特性与石油衍生燃料相似，而不同于典型的生物质衍生生物油。因此，与标准的木质热解油相比，腰果壳的热解能够产出化学成分更丰富、能量密度更高的产品[7]。

在近期的研究中，从简单的材料表征转向更复杂的材料表征已成为重点。这使得能够更深入地审视腰果壳液中观察到的复杂组成。两种类型的热解（热重分析和固定床热解）有助于深化这种理解[7]。它们共同帮助研究人员了解了腰果壳液关于降解温度、动力学和产物分布的重要特性，以评估这种生物燃料的规模化生产可行性。

虽然以往使用的热化学途径，如气化或水热液化，热解具有优势，但其规模化可行性有限，因为它们通常会增加工艺复杂性和成本[7]。提到的其他热解方法可以产生液体和气体的平衡混合物，而不仅仅专注于合成气或湿生物质。此外，它创造了生产适用于直接燃料应用的固体产品的可能性。这对海事应用是一个优势，因为它不仅提供一种途径，而且还提供了生产可以直接升级或混合的生物油的可能性。

与许多工艺一样，有效的热解始于适当的原料预处理，以确保结果能准确反映其行为特性。在一项由Sangaré博士等人进行的研究中，腰果壳被冷冻在-80°C，然后研磨成1-2毫米的颗粒，以防止任何提取物泄漏[7]。提取物随后通过索氏提取法使用三种溶剂依次进行去除，以得到不同的腰果壳组分。结果，丙酮提取物富含漆树酸、腰果二酚和腰果酚，约占腰果壳重量的~42%[7]。相比之下，己烷和水提取物分别约占~2%和 ~18%[7]。此外，分析显示腰果壳的低位热值接近23.6兆焦/千克，挥发分含量为82.95重量%，碳含量为56.07%，展示了腰果壳作为高能量原料的适用性[7]。

热解实验使用了上述两种方法进行：使用热重分析仪来理解热解动力学，以及使用固定床反应器来量化产生的永久性气体和冷凝物[7]。对于热重分析样品，取少于10毫克的样品根据环境温度（25°C至125°C）或等温干燥程序进行加热。对于固定床实验，将腰果壳颗粒（<1毫米）填充到石英管中并置于反应器内[7]。然后以20°C/分钟的速率将管子加热至400°C。在加入氮气后，使用MicroGC VARIAN CP 4900连续分析气体，并在实验结束时收集冷凝物[7]。

根据观察到的成分结果，腰果壳热解生物油因其高酚含量和芳香族结构而在化学上具有独特性。这些结果在其他研究中也相似[15]。ACC异构体在丙酮提取物中占主导地位。这很重要，因为它提高了热稳定性和抗氧化能力，对船用燃料应用有益。此外，由于腰果壳液的高热值，其低位热值超过了典型的木质热解油[7, 15]。在其他研究中，低硫含量相对于国际海事组织的法规和2050年目标——旨在限制碳和硫足迹——提供了明显优势[4]。

尽管腰果壳液确实在其未加工形态下存在挑战，但结合关于燃料混合以及限制其对发动机影响的研究进展，它为海事行业提供了一种潜在的解决方案。

未来展望与结论

尽管其前景明确，但仍存在若干挑战，限制了腰果壳液衍生生物燃料的使用。关于残留酸性、腐蚀性和长期稳定性的问题需要进一步研发[15]。由于不同地区的种植和处理方法差异，原料成分的多变性使得生产工艺的一致性复杂化。此外，扩大用于生产多种腰果壳液提取物的方法仍然在技术和经济上处于劣势。

尽管研究仍在广泛进行并需要持续的合作，但未来利用腰果壳液创造一种可规模化的替代船用燃料存在许多可能性。

特别是对于海事行业，固体生物燃料在减少温室气体排放方面具有优势，提供了一种高能量的船用柴油替代品，且与现有发动机兼容。选择固体生物燃料有助于提供更便捷的运输和储存，这在船舶上使用时至关重要。此外，对这种农业残余物的高值化利用有助于支持日益增强的循环经济原则实践，并帮助航运公司更好地遵守日益严格的燃料可持续性法规[14]。

循环经济概念在此很有帮助，因为我们现在可以利用整个果实，减少传统加工造成的污染，并为海事行业提供一种生物燃料以缓解环境问题[16,17]。船用燃料甚至加剧了日益严重的气候变化问题。尽管仍有工作需要研究，方法有待改进以实现规模化，但它为可能有益于该行业的途径带来了希望。

它不仅提供环境和经济益处，而且将其用作即用燃料的理念也有其自身优势。即用燃料的概念意味着无需对现有发动机或燃料系统进行重大改造即可使用，为减少碳足迹和排放创造了一个良好机会。与由可食用产品产生的其他生物燃料不同，其不可食用的特性也有助于减少产生的废弃物量，并且长期来看不影响材料的丰度或可获得性。

总而言之，尽管仍需改进，但腰果壳液被证明是一种有潜力的废弃物衍生生物燃料。其独特的结构以及与传统燃料的相似性，使其成为海事行业在优先考虑向净零排放未来转型过程中的一个有前途的选择[1,4]。更广泛地说，腰果壳液凸显了农业残余物较少被认识的价值，鼓励了观念的转变。它阐明了包括但不限于高值化利用、循环经济等诸多概念。它在当前燃料与更清洁的替代品之间架起了桥梁。腰果壳液为迈向一个更低碳、环境友好的航运业提供了一个垫脚石。

挂在枝头的腰果（图片：pixabay）

作者简介

Raj Shah博士是纽约科勒仪器公司的董事，他已在该公司工作了25年以上。他被同行选为美国材料与试验协会、英国化学工程师学会、美国材料与试验协会、美国石油化学家学会、摩擦学家和润滑工程师学会、美国化学学会、美国国家润滑脂学会、英国测量与控制学会、物理学会、能源研究所和皇家化学学会的会士。作为纽约州立大学石溪分校材料科学与化学工程系的兼职教授，Raj还拥有超过750篇出版物，并在能源行业活跃了超过30年。

Haile Mistry是弗吉尼亚理工大学的化学工程本科生，在制药工艺工程、材料研究和工程推广方面拥有经验。她目前在Haleon担任工艺放大工程合作生，并在聚合物复合材料与材料实验室担任本科生研究员，她的工作重点是生物聚合物基纳米复合材料和增材制造。

Mathew Roshan是石溪大学化学与分子工程专业的本科生。他在气体创新与技术研究所进行研究，专注于Devinder Mahajan教授指导下的可持续能源系统。

Gavin Thomas是位于纽约州霍茨维尔的科勒仪器公司一个蓬勃发展的实习计划的成员，并且是石溪大学化学与分子工程项目的应届毕业生。

参考文献

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