未来生物柴油计量

作者：Robert Ausura

ASTM国际组织和美国国家标准与技术研究所(NIST)正联手制备生物柴油的标准参考物质，以便在世界范围内首次为生物柴油这种具有广阔发展前景的替代燃料制定出一套综合测量系统。

      生物柴油的自相矛盾之处在于，其本身所具有的最大优势也是其所面临的最艰难的技术挑战。

      生物柴油是一种以植物油和动物脂肪为原料制备的无毒、可生物降解的柴油燃料。大部分生物柴油中的含硫量极少，故而，有助于燃料生产商将其与石化柴油混合生产的产品满足超低硫柴油的相关要求。引擎制造商则倾心于生物柴油的高润滑性和高于石化燃料的十六烷值(大致类似于汽油辛烷值)。再者，生物柴油是一种完全可再生资源，可有力缓解世界对石油资源的依赖；在那些缺少其他燃料资源的发展中国家，还具有刺激当地经济发展的作用。最重要的是，我们可以利用任何一种含有脂肪的生物材料生产生物柴油，从大豆和葵花籽到藻类和鱼头，可供利用的材料极其广泛。

      NIST测量服务部部长Robert Watters说:“这就是我们目前面临的挑战,试想一下，从地下抽出原油并提炼的过程相比于生物柴油的生产过程要简单而又直接得多，一切都来自于相同的原材料；而对于生物柴油来说，由于其原材料太过广泛，则很难对其进行简单的比较。”

      基于以上原因，具有不同化学和性能特性的生物柴油燃料能够轻易地充斥市场。这关系到从燃料生产商、引擎制造商到消费者和监管者每一个人。为此，世界各地的标准化组织均迅速着手制订了生物柴油标准——其中以ASTM国际组织、欧洲标准化委员会(CEN)、德国标准化协会(DIN)以及英国标准协会(BSI)为主。而相继形成的规范和测试方法也兼具惊人的相似之处和亟待解决的严重分歧。

      NIST化学科学与技术实验室的首席科学顾问Ellyn Beary引用欧洲现行标准中的碘值作为例证。她说：“碘值体现了稳定指标，欧洲标准基于芥花籽油的数据规定了碘值上限。不过，如果您希望另一种来源(比如大豆)的生物柴油在引擎内也能发挥相同的作用，那么这种源于大豆的生物柴油的碘值就不会达标。” 美国、欧盟和巴西的技术专家们目前正在讨论包括碘值在内的规范，希望能够建立全球兼容的产品规范。

一种商品，多种来源

      如果希望生物柴油成为一种全球性的商品，即能用任何原材料生产，并能够在世界各地放心大胆地混合、交易和使用，那么需要满足以下两项条件之一：(1)拥有一种建立在通用规范基础上的单一的、能够被普遍接受的生物柴油标准;或(2)全世界不同地区使用的标准之间具有一致性。而这两种选项成立的前提条件都是技术一致性——即位于世界各地的实验室对几乎相同的材料样本进行等效测试时，能够得到几乎相同的实验结果。这种检测一致性依赖于准确和可靠的计量体系，为此，ASTM和NIST加强了合作，并联合世界各地的标准化机构，以期尽快达到检测一致性的目标。

      自从20世纪90年代中期开始，生物柴油的研发人员就和生产商一起，通过参与ASTM国际组织技术委员会D02《石油产品和润滑油》的工作，帮助标准化组织为生物柴油国际标准奠定了基础。这些努力的成果包括：首先在燃料化学的基础上对生物柴油进行了技术定义；然后催生了ASTM D 6751《生物柴油燃料(B100)作为中间馏分燃料基料的规范》。D 6751于2001年首次发布，其后不断进行修订，它的意义在于创立了B100生物柴油的规范——100%的生物柴油既可单独使用，也可在与石油柴油混合形成混合油后使用(如B10)，这种含有10%生物柴油和90%石油柴油的B10目前已经得到了广泛应用。

      D 6751对粘性、闪点、浊点、氧化稳定性、含水量、甘油和微量元素等各项指标均提出了具体要求。为进行上述指标的测试， 该标准参考了40多种既定的测试方法、规范和指南。然而，D 6751计量法和世界各地其他机构目前所采用的生物柴油标准计量法，大多用于以石油为基础的油料，而生物柴油是一种原料来源迥异，主要以动物(和植物)为基础的油料。因此，世界各地的组织正在竞相努力，以率先制定出一种真正的生物柴油计量法。

一场开发生物柴油计量法的竞赛
      Beary说：“行业内针对这一问题开展了很多国际间的活动,因为谁率先建立起一种每个人都可使用或以之为测量基础的计量方法，谁就将具有竞争优势。”

      2006年，ASTM国际组织与NIST开始着手制备生物柴油标准的参考物质。作为技术委员会D02长期的参与者，NIST针对超低硫柴油开发了一种标准参考物质(SRM)。NIST测量服务部的物理科学家Bruce MacDonald介绍：“在这种技术环境下，我们同致力于生物柴油工作的广大工作人员进行了会晤和讨论。这些人中包括国家生物柴油委员会、生物柴油产业在美国的代表——国家贸易协会技术总监Steve Howell。” MacDonald说：“我们邀请他来NIST，与这里的科学家举行座谈。2007年1月他针对来自NIST 5个部门的25名代表举行了演讲报告。” Steve Howell和其他利益相关方的共同参与，导致化学科学与技术实验室(CSTL)在2007财政年度将生物柴油列为优先发展的项目。

      在与其他行业进行接触后，NIST确定了其针对生物柴油的工作目标就是开发出基础性计量方法，而非涵盖全部来源的SRM系列。Watter说：“我们只想开发出一套最低限度的SRM。”对于美国的生物柴油产业而言，即是一套大豆基生物柴油SRM和一套动物脂肪基生物柴油的SRM。

      第一步是获取以上两种类型生物柴油的代表性样本。MacDonald说：“国家生物柴油委员会已长时间向引擎制造商和其他各种组织提供(大豆)生物柴油样品。这种大豆柴油的产品名称为‘大豆黄金’，不同机构已经针对这种产品做了很多测量工作。因此，我们选择了‘大豆黄金’作为样本。”

      ASTM在其生物柴油多个实验室交叉校验项目(ILCP)中还使用同样的材料——动物脂肪基生物柴油B100。参与项目的实验室通过ILCP得到生物柴油样本，之后对样本进行D6751中的各项分析，然后向ASTM汇报实验结果，ASTM对来自各个实验室的所有结果进行统计汇总。通过将这些测试结果与世界范围内的其他实验室的测试结果进行对比，每个实验室都可以评估自己的测试质量。通过采用与首次ILCP生物柴油测试周期试验相同的样品材料，NIST获得了一组宝贵的测量数据，用以完善其自身现有的表征结果。

国际合作
      目前生物燃料参考物质的制备工作正面临着激烈的国际竞争，但高风险也导致了国际间的合作。通过美洲国家间计量系统(SIM)的努力，美洲成员国的34个计量机构以及美国和巴西的计量机构之间达成了合作关系，以求各个参与方的技术资源和经验能够物尽其用，避免不必要的重复性劳动。
      巴西政府在国内强制推行乙醇燃料已有30年，因此获得了宝贵的技术和实际应用经验，能够以此指导美国发展其乙醇燃料工业。而美国拥有世界一流的科研和技术资源，从而具有带领美国、巴西征服生物柴油挑战的优势条件。为此，NIST正和巴西国家标准实验室(INMETRO)合作开发能够被国际社会广为接受的、经过认证的无水乙醇、水合乙醇以及几种从不同原料获取的生物柴油参考物质。

对公信度的度量

      MacDonald说：“包括D02、石油生产商、国家生物柴油委员会以及汽车制造商在内的所有人都希望生物柴油的标准能够成功执行下去。这在很大程度上是因为大家既想利用生物柴油的潜在好处，但同时也要避免潜在的缺陷。”

      Beary问道:“生物柴油为减缓气候变化、减少我们对外国石油资源的依赖程度，使我们能够利用本土的自然资源生产燃料提供了机会，但如果你推荐的燃料堵塞了你的引擎，你该作何反应？考虑到生物柴油巨大的经济价值及一旦使用不当而可能导致的公信力损失，标准的制定容不得半点马虎。” 对于NIST来说,‘容不得半点马虎’意味着向公众提供他们需要的数据，借此提高世界对这种未来燃料的信心。