地沟油基蜡的合成与性能研究

以地沟油为原料，通过对其进行分子改性，设计合成低成本的新型蜡材料，并将其加工成为实用的蜡产品，对此类蜡材料的组成、结 构、微观形貌、性能参数等进行研究，获得此类蜡材料的优化合成工艺和性能调控规律。最终获得以地沟油为原料合成的低成本（其原料和生产成本控制在 6 元/kg 以下），具有优良性能（能替代商用大豆蜡，符合国家标准，可以用于制备常用的蜡烛、蜡笔、蜡模等）的蜡材料，为地沟油的回收利用与低成本植物蜡材料的开发提供新途径。

本项目主要开展地沟油基蜡的制备与性能研究，详细研究内容如下：

1）地沟油基蜡的制备

收集地沟油，通过离心分离，获得低碘值的地沟油为原料，将地沟油以过氧乙酸法进行环氧化反应，对反应后的产物进行处理提纯，获得环氧地沟油。将所得环氧地沟油在一定催化剂存在下，进行水解反应，获得混合脂肪酸（主要为饱和脂肪酸和羟基脂肪酸的混合物）。

进一步地，将所得混合脂肪酸在一定催化剂存在下，与高级脂肪醇进行酯化反应，获得脂肪酸脂肪醇酯混合物，即为所需地沟油基蜡材料。

选择适当模具，以加热注模成型手段，制备地沟油基蜡烛、蜡笔、蜡块等产品。同时结合其组成、结构、形貌和性能测试结果，对地沟油基蜡的合成方法进行优化。

2）地沟油基蜡的表征

测试所得地沟油基蜡的红外光谱、核磁共振谱、环氧值、酸值等指标，确定地沟油基蜡的组成及分子上基团的分布，对地沟油基蜡的晶体结构、微观形貌等进行研究，分析合成工艺和相关参数对地沟油基蜡的组成、结构与微观形貌的影响规律。

3）地沟油基蜡的性能研究

根据相关国家标准，测试地沟油基蜡的熔点、水分、硬度、色泽、光安定性、热稳定性、含醛量、表面光泽度等指标。将所得蜡制备成标准形状的蜡烛，观察所得蜡烛燃烧特性，测试所得蜡烛燃烧时间、熔池宽度、燃烧气体成分和积碳率等指标，并将性能测试结果与市售大豆蜡等进行比较。总结分析合成工艺参数、蜡分子组成与结构对地沟油基蜡性能的影响，获得此类蜡材料的优化合成工艺和性能调控规律，进行10 kg级别的小试实验，并结合其原料和生产成本，探讨该类蜡进行中试和实现商品化的可行性及途径。

地沟油是各类劣质废油脂的统称，此类油脂具有较深的颜色和明显的酸败味道，不仅营养价值低下，还含有多种对人体有害的成分。近年来，广西的餐饮行业发展迅速，而包括地沟油在内的餐饮废弃物产量也逐年增加。据统计，当前桂林市区废弃食用油脂日产量超过20 吨，这些地沟油若不加以回收利用，不但浪费宝贵的自然资源，还会对水体等自然环境造成二次污染，并可能对人民群众的身心健康造成巨大威胁[1-2]。当前，对地沟油的资源化利用的主要途径包括将地沟油转化为生物柴油[3-6]、润滑剂[7-8]、醇酸树脂[9]和洗涤用品[10-11]等。在具有完善餐饮废弃物回收利用体系的地区，以地沟油为原料生产生物柴油已经被市场证明为地沟油资源化利用的有效方式。由于地沟油原料本身的低成本，基于地沟油的生物柴油比其他植物基生物柴油更加经济[13-16]，同时生产过程能耗更低，并且能减少温室气体排放[17-19]。然而，在资金欠缺和基础设施不够完善的地区，多种因素阻碍了地沟油基生物柴油的大规模商业化生产：（1）生物柴油属于大宗商品，生产需要大量稳定的地沟油原料供应，而经济欠发达地区的餐饮废油产出单位规模小且分散，同时缺乏强有力的回收网络体系支持，难以形成稳定的地沟油原料供应链[20-21]；（2）生物柴油生产对地沟油原料有较高的要求，

包括较少的游离脂肪酸含量和特定的脂肪酸组成，即并不是所有的地沟油都适合生物柴油生产。同时由于地沟油杂质含量多，成分不稳定，造成作为生物柴油原料的地沟油需要繁琐的预处理步骤（如脱色、除臭、脱胶、脱盐、脱水等），这不仅增加了生产和设备投资成本，而且也会影响产品的质量[22-26]；（3）大规模生物柴油生产需要催化剂，通常催化剂价格昂贵且生产工艺复杂，会进一步提高生物柴油的成本[27-28]。因此，在如广西等我国经济欠发达地区，若要实现地沟油充分、高效的资源化利用，需要在生物柴油途径之外探索更多的有效补充途

径。这些途径最好具有步骤简单、生产灵活、投资成本低的特点，并能够利用质量较低的地沟油。

植物蜡是一种绿色环保健康的自然资源，主要由长链脂肪酸、长链脂肪醇和蜡酯构成[29]。对比从石油中提炼出来的石蜡，以大豆蜡为代表的植物蜡制备的蜡烛点燃时黑烟少、污染小、安全环保，可以广泛用于高端的艺术蜡烛、精油蜡烛、蜡像、蜡笔的生产。同时，基于其绿色环保的的特性，植物蜡还可能在食品添加剂[30-32]、可食用涂膜[33-35]、化妆品[36-37]和涂料领域[38]获得应用。和生物柴油相比，植物蜡市场份额相对较小，但单位产品的附加值相对较高，如用于制备精油蜡烛的大豆蜡，其市场售价30 元/kg以上，利润率超过100%，是石蜡的2-3倍。此外，相比生物柴油，蜡材料生产设备投资相对较小，生产控制比较灵活[39-40]。当前我国地沟油的主要来源是大豆油、菜籽油等油脂，有一定可能作为蜡材料的原料的。结合植物蜡材料在产品附加值和生产方面的优势，将地沟油转化为植物蜡材料有希望成为地沟油回收利用的一种有效方式。不过，优质的植物蜡必须具有浅色、无味的特征，需要有一定的硬度和熔点，其产品如蜡烛等应具有足够的燃烧时间。而地沟油成分复杂，主要含有一定量双键的混合甘油三酯以及多种有色或有气味的有机杂质，这对制备实用的蜡材料带来巨大困难。首先，混合甘油三酯中大量的不饱和双键会导致松散的分子排列，造成地沟油本身熔点低，硬度极差，一般在室温下无法成型；其次，地沟油中含有的大量深色和酸败气味的有机杂质，会导致蜡产品色泽深，异味重，对消费者健康不利。因此，若不采用特定的处理手段，地沟油很难作为蜡的优质原料。目前，国内外对地沟油基蜡的研究基本处于空白状态。

当前，主流市场植物蜡的制备主要有两种途径：（1）以物理手段提取植物蜡。如亚麻籽蜡可以将粉碎的亚麻油油渣加石油醚和乙醇混合溶剂回流提取，提取物经过除灰、除脂和脱色后制得，其收率约为0.09 %。通常，提取法产率较低，流程复杂，存在二次污染可能性，主要用于高价值的特殊植物蜡制备[41]；（2）氢化法制备植物蜡。如制备市场常见的大豆蜡，可将大豆油毛油加热到 150~170 ℃，在0.29~0.39 MPa 氢气压力下，以雷尼镍为催化剂，进行氢化反应，反应结束后，获得的半固态蜡加入丙酮精制，干燥后获得大豆蜡产品[42]。但对于地沟油而言，若以氢化法制备蜡，首先无法忽略脱色、除臭等预处理步骤，其次较高的温度和气体压力将导致额外的安全措施，同时需要昂贵的催化剂[43-46]，以上问题都将大幅度提高投资和生产成本，因此氢化法也不适合地沟油基蜡的商业化生产。

我们在前期研究中注意到，环氧化也是一种有效的油脂改性的方法[47-49]。该方法可在温和反应条件（<100 ℃和大气压）下进行，一些常用的环氧化试剂如过氧乙酸（通过过氧化氢和冰醋酸反应制备）是一种强氧化剂，会使地沟油中的各种有色、恶臭有机杂质发生过氧化降解，消除酸败味，降低地沟油油品色泽。其次，地沟油中的不饱和双键被环氧化形成环氧基。与地沟油中含有双键的甘油三酯相比，环氧化的环氧甘油三酯可以形成更规则的颗粒。因此，环氧地沟油显示出比地沟油更高的熔点和硬度，可以在室温或初始燃烧阶段保持其形状。此外，环氧地沟油颜色相对较浅且无气味，可以作为实用地沟油基蜡的中间体，在要求不高的条件下，甚至可以直接作为蜡材料使用[50]。

不过，前期实验结果表明，环氧地沟油的颜色仍然比一般的大豆蜡深，不完全符合国家标准要求。此外，由于环氧地沟油是一类枝状分子，无法形成太规整的排列和坚固的晶格网络，因此其熔点和硬度低于商用大豆蜡，在燃烧过程中蜡烛会变软，燃烧时间很短。因此，有必要进一步对其进行化学改性。长链脂肪酸及其与高级脂肪醇形成的酯，属于直链棒状分子，容易形成较大长棒状晶体颗粒，构筑稳定的三维交联网络。我们最近的研究结果表明，令环氧地沟油在适当条

件下发生水解反应，可获得具有直链分子构型的混合脂肪酸（主要为饱和脂肪酸和羟基脂肪酸的混合物）[51]。可以预见，将所得地沟油基混合脂肪酸再进一步酯化，可以生成地沟油基脂肪酸脂肪醇酯，从而有效提高蜡材料的熔点和硬度，增加蜡烛的燃烧时间，并令蜡材料获得细腻光滑的外表。另一方面，在酯化反应同时，若加入少量活性白土等脱色剂脱色，有望进一步降低地沟油基蜡的色泽，从而获得具有实用价值的地沟油基蜡材料。

综上，基于当前植物蜡价格较高，而地沟油回收利用问题未能得到有效解决的现状，我们拟将植物蜡与地沟油的回收利用相结合。以地沟油为合成原料，通过环氧化后制备环氧地沟油，并进一步对其进行分子设计改性，制备高附加值、低成本（生产成本在 6 元/千克以下，不高于商品大豆蜡成本的 1/2），能够替代商品大豆蜡材料的地沟油基蜡材料，并将其加工成商业化的蜡产品（如蜡烛）等，对所得蜡的性能指标进行深入研究，并探讨其商业化的可行性。通过该项目的研究，可以获得一类以地沟油为原料的新型蜡材料，这类地沟油基蜡相比市场同类植物蜡产品，具有价格低廉，加工方便，产品附加值高，市场竞争力强的优势，能够为地沟油资源化利用和低成本蜡材料的开发提供新途径，具有重要的科研、经济和社会价值。

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首次以地沟油为原料，设计合成了低成本的，能够替代市场上植物蜡产品的新型蜡材料及相关产品，可为地沟油的回收利用与低成本 植物蜡材料的开发提供新途径。

与市面植物蜡（如大豆蜡）产品相比，地沟油基蜡具有十分显著的优势，此类蜡具有与大豆蜡相当或更加优越的性能，其成本只有商用大豆蜡的 1/4~1/2，产品附加值高，合成加工过程绿色环保。

与以地沟油为原料制备生物柴油等传统地沟油转化途径相比，以地沟油为原料合成蜡材料的途径具有设备投资少，启动资金小，生产步骤简洁，生产速度快，灵活性高，能够利用劣质地沟油油源等优势，适合于经济不发达地区和小微企业进入地沟油回收利用领域。

5.1 技术路线

总体研究路线见图 1。

图 1 总体研究流程

具体研究方案如下：

1）地沟油基蜡的制备

以地沟油为原料制备蜡的实验流程如图 2 所示，合成过程中地沟油中甘油三酯发生的反应如图 3 所示，合成过程中地沟油组分和分子状态变化及对性能的影响如图 4 所示。

图 2 地沟油基蜡制备实验流程

图 3 合成过程中地沟油中甘油三酯发生的反应

图 4 合成过程中地沟油组分和分子状态变化及对性能的影响

具体步骤如下：

a）收集地沟油，包括来自油炸店经多次煎炸的油脂和食堂下水油，经过过滤、离心等预处理步骤后，采用化学滴定方法测定其碘值、酸值等指标，并从中筛选出碘值在 60 以下的地沟油作为合成原料。

b）环氧化：选择经过预处理的地沟油为合成原料，过氧乙酸（由过氧化氢和乙酸反应制得）为环氧化试剂，硫酸为催化剂，尿素为稳定剂，进行环氧化反应，令地沟油上的双键生成环氧基，获得环氧地沟油（见图 3）。环氧地沟油制备可以参考课题组的前期论文：RSCadvance, 2022, 12, 3365; RSC advance, 2022, 12, 36018; ACSSustainable Chemistry & Engineering, 2022, 10, 16344。环氧化是形成地沟基蜡的第一个关键步骤。如图 4 所示，地沟油含有大量不饱和的混合甘油三酯，以及多种深色或有酸败气味的有机杂质。其形成蜡材料的困难在于：（1）混合甘油三酯中大量的不饱和双键会导致松散的分子排列，造成地沟油本身熔点低，硬度极差，一般在室温下无法成型；（2）地沟油中含有的大量杂质，包括深色和酸败气味的有机杂质，对蜡产品的性能有严重负面影响。若以一般的方法进行额外处理，需要如脱色、除臭、脱胶、脱盐、脱水等多个单独工序，步骤繁琐，会极大提高生产和设备投资成本。过氧乙酸法环氧化反应的优势，在于可以一步法解决地沟油处理中的诸多困难，首先环氧化试剂（过氧乙酸，通过过氧化氢和冰醋酸反应制备）具有极强氧化性，在温和的反应条件（70 ℃和大气压）下就能够使地沟油中几乎所有有色、恶臭有机杂质发生过氧化降解，消除酸败味，改善其颜色。其次，地沟油中的不饱和双键被环氧化形成环氧基。与地沟油中的环氧甘油三酯相比，环氧化的环氧甘油三酯可以形成更规则的颗粒。因此，环氧地沟油显示出比地沟油更高的熔点和硬度，可以在室温或初始燃烧阶段保持其形状。此外，环氧地沟油颜色相对较浅且无气味，可以作为实用地沟油基蜡的中间体。甚至在要求不高的条件下，环氧地沟油本身就可以作为蜡材料使用。不过，前期实验结果表明，环氧地沟油的颜色仍然比一般的大豆蜡深很多，不完全符合国家标准要求。此外，由于环氧地沟油是分枝状分子，无法形成太规整的排列和很坚固的晶格网络，因此其熔点和硬度低于商用大豆蜡，并且在燃烧过程中蜡烛会变软，燃烧时间很短。因此，有必要进一步对其进行化学改性。

c）水解：所得环氧地沟油和适量氢氧化钠溶液混合，在温和的反应条件（60~80 ℃，常压）下水解反应一定时间，反应结束后，产物以盐酸中和，可获得具有直链分子构型的混合脂肪酸。前期研究结果表明，低碘值地沟油甘油三酯分子中主要含有油酸（顺式-9-十八烯酸）和软脂酸（十六酸）基团。油酸基上的双键首先在环氧化过程中转化为环氧基，而后在水解过程中在碱性条件下开环形成双羟基，最终形成 9,10-二羟基十八酸；而软脂酸基不含双键，不参与环氧化反应，在水解过程中形成游离软脂酸。因此，在水解反应后，获得的脂肪酸为饱和脂肪酸（以软脂酸为主）和羟基脂肪酸（以 9,10-二羟基十八酸为主）的混合物。环氧地沟油水解制备地沟油基混合脂肪酸可以参考课题组的前期论文：RSC advance, 2022, 12, 36018。如图 3 和图 4 所示，脂肪酸是一种直链棒状分子，容易形成大长棒状晶体，构筑稳定的三维交叉网络。因此，通过对环氧地沟油在适当条件下水解，从而获得地沟油基混合脂肪酸，这样可以有效提高蜡材料的熔点和硬度，增加蜡烛的燃烧时间。事实上，地沟油基混合脂肪酸材料已经可以作为合乎国家标准的蜡材料使用，具有较高的熔点和硬度，所得蜡烛燃烧时间长，性质稳定。不过，相比市场上的大豆蜡材料，地沟油基混合脂肪酸材料表面细腻度不足，同时其颜色相比商用大豆蜡仍然略深，对制作高端蜡像、香薰蜡烛、蜡艺产品不利。因此，为了进一步拓展地沟油基蜡的应用范围，获得在性能上完全匹敌或超过商用大豆蜡的低成本蜡材料，需要对材料进一步进行分子改性。

c）将上步所得地沟油基混合脂肪酸与一定量的固态高级脂肪醇（如十六醇、十八醇等）混合，迅速加入催化剂对甲苯磺酸，将反应容器置于微波反应器中，装配好回流装置、分子筛脱水装置及电动搅拌器，设定辐照时间和微波功率，让地沟油基环氧脂肪酸和高级醇在在微波下进行酯化反应。反应完毕后，加入活性白土进行脱色，而后洗涤除去催化剂、白土和少许杂质，干燥纯化后获得即获得地沟油基混合脂肪酸脂肪醇酯，即为目标产品地沟油基蜡。和地沟油基混合脂肪酸相比，地沟油基混合脂肪酸脂肪醇酯作蜡材料，能基本保持混合脂肪酸的熔点、硬度等指标，同时具有相对较为细小而均匀的晶粒，其表面外观能得到进一步改善，从而能满足更多应用场景的需求。

d）获得地沟油基蜡后，可以选择适当模具，以加热注模成型手段，制备地沟油基蜡烛、蜡笔、蜡像等产品。同时结合其组成、结构、形貌和性能测试结果，对蜡地沟油基蜡的合成方法和成型工艺进行优化。

2）地沟油基蜡的表征

通过红外光谱、核磁共振谱等手段，确定所得地沟油基蜡、合成原料和中间体的组成、结构及分子上有机官能团的分布，结合盐酸-丙酮法对分子中环氧值的测定，确定在地沟油基蜡合成过程中，地沟油甘油三酯分子中有机官能团的变化。通过粉末衍射手段，研究地沟油原料、环氧地沟油和所得地沟油基蜡的晶体结构，通过偏光显微镜研究地沟油基蜡、合成原料和中间体的微观形貌，结合对其性能的测定结果，明确地沟油基蜡组成、结构、形貌和性能之间的关系，分析总结合成工艺和相关参数对地沟油基蜡的组成、结构与微观形貌的影响规律。

3）地沟油基蜡的性能研究

根据相关国家标准，以熔点测试仪测试所得地沟油基蜡的熔点并研究其熔融行为；以水分测试仪测定地沟油基蜡的水分含量；以针入度测试仪测定地沟油基蜡的硬度；以罗维朋比色计研究地沟油基蜡的色泽；结合紫外灯辐照研究地沟油基蜡的光安定性；结合烘箱和差示扫描量热分析仪研究地沟油基蜡的热稳定性；以滴定法测试地沟油基蜡的含醛量；以光泽度仪测试材料的表面光泽度。将蜡制备为 5×5×5cm 的标准蜡烛，在无风、实验室温度下点燃，观察其燃烧特性，测定所得蜡烛燃烧时间、熔池宽度、积碳率等指标，结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）装置对蜡烛燃烧产生的气体成分进行研究。结合以上研究结果，比较地沟油基蜡与商用大豆蜡在组成、结构、性能上的差异，总结对地沟油基蜡性能的影响规律，从而掌握其性能的调控规律。完善此类蜡的合成与加工方法，进行 10 kg 级别的小试实验，并结合其原料和生产成本，探讨此类蜡进行中试和进入实际工业化生产的可行性及途径，最终获得一种低成本的地沟油基蜡（其原料和生产成本控制在 6 元/kg 以下），为地沟油的回收利用与低成本植物蜡的开发提供新途径。

5.2 拟解决的关键科学问题

要实现从地沟油原料到实用型地沟油基蜡的转化，需要以便捷、低成本的方式解决地沟油中大量双键和带深色和酸败气味的有机杂质的问题。

1）地沟油混合甘油三酯中大量的不饱和双键会导致松散的分子排列，造成地沟油本身熔点低，硬度极差，一般在室温下无法成型，为了解决该问题，需要首先通过环氧化反应将双键转化为环氧基，然后通过水解及和酯化对地沟油分子进行改性，获得直链棒状的脂肪酸脂肪醇酯混合物，通过分子设计调控所得材料分子构象和晶格排列，令其在凝固结晶后形成稳定坚固的晶态交联网络，从而使所得地沟油基蜡材料具有较高的熔点和较好的硬度，且所得蜡烛产品具有较长的燃烧时间。

2）地沟油中含有的大量杂质，包括深色和酸败气味的有机杂质，对蜡产品的性能有严重负面影响。为了低成本且便捷的方式解决该问题，拟选择以过氧乙酸法进行环氧化，在进行化学改性同时，过量的过氧乙酸（环氧化试剂）会使地沟油中的各种有色、恶臭有机杂质发生过氧化降解，消除酸败味，降低地沟油油品色泽。进一步地，在后续的酯化等步骤中，通过调控相关工艺参数（包括反应温度、反应时间、活性白土加入量等），实现进一步降低体系色泽，从而获得浅色

优质的地沟油基蜡。

5.3 预期研究结果

在本项目研究过程中和项目完成后，可以预期获得以下研究成果：

1）获得一类以地沟油为原料合成的低成本蜡材料及相关产品，为地沟油的回收利用与低成本蜡材料的开发提供新途径。通过对此类蜡的组成、结构、微观形貌、性能指标进行详细研究，获得此类蜡材料的优化合成方法，掌握其性能的调控规律，能为其商业化应用提供实验基础。

2）研究成果以论文的形式给出，预计可发表SCI论文1篇以上。

2025 年 5 月-2025 年 11 月：收集地沟油，通过环氧化反应获得环氧地沟油，将所得环氧地沟油通过水解和酯化反应，合成地沟油基蜡材料，对所得地沟油基蜡的组成、结构和微观形貌进行表征。

2025 年 12 月-2026 年 2 月：在上一阶段实验成果的基础上，全面研究试所得地沟油基蜡的熔点、水分、硬度、色泽、光安定性、热稳定性、含醛量、表面光泽度等指标，对所得地沟油基蜡制备的蜡烛的燃烧性能进行研究。

2026 年 3 月-2026 年 5 月：在上一阶段研究结果的基础上，比较地沟油基蜡和市售大豆蜡在组成、结构、性能上的差异，总结对地沟油基蜡性能的影响规律，从而掌握其性能的调控规律。完善此类蜡的合成与加工方法，进行 10kg 级别的小试实验，并结合其原料和生产成本，探讨此类蜡进行中试和进入实际工业化生产的可行性及途径，最终获得一种低成本的地沟油基蜡（其原料和生产成本控制在 6 元/kg以下），为地沟油的回收利用与低成本植物蜡的开发提供新途径。