固体碱催化合成生物柴油基本规律的研究

论文摘要

随着世界经济的发展,石化燃料已经不能满足世界经济发展的需要。以天然油脂为原料生产的生物柴油（脂肪酸甲酯）作为对环境友好的清洁能源可以替代部分传统的化石燃料,对缓解能源危机和减轻环境污染具有重要意义,目前已经受到世界各国的普遍关注。生物柴油的制备分为直接混合,高温裂解,微乳化以及酯交换四种方法。当前工业化生产生物柴油主要采取酯交换法,其中,固体碱催化剂是近年来研究的重要方向,具有高活性、高选择性、反应条件温和、产物易于分离、可循环使用等诸多优点。目前,关于固体碱催化生物柴油酯交换反应的研究虽然很多,但是都存在一些缺点。本论文从分子筛入手,设计、制备了新型的固体碱催化剂。通过对比筛选了孔径均匀,具有高比表面积和大的吸附容量的介孔分子筛MCM-41作为固体碱催化剂的载体。由于硅基介孔材料自身无催化活性中心,所以通过浸渍法和化学接枝法对MCM-41进行改性,在MCM-41孔道内表面引入了碱金属和有机胺,产生催化活性中心。本论文利用X射线衍射法（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、红外光谱（FTIR）、热重分析法（TGA）、化学吸附剂表面碱性测定（CO2-TPD）等催化剂表征方法,对合成的新型固体碱催化剂进行表征。结果显示,经过改性,载体仍保留MCM-41的孔道结构,碱金属和有机胺成功负载到载体MCM-41上,并具有一定的强碱性位。本论文还考察了这些新型固体碱催化剂在大豆油酯交换反应制备生物柴油中的催化性能,详细研究了不同催化活性组分、催化活性组分的添加量、催化剂用量、反应物醇油摩尔比、反应时间等对生物柴油收率的影响,得到了优化的反应条件: Na2O添加量为8.0 wt%,醇油物质的量比为16:1,催化剂用量为油重的3.0 %,反应温度为130℃,反应时间为2 h,生物柴油的收率可达到89.8%。在优化的反应条件下,对新型固体碱催化剂催化合成生物柴油的动力学曲线进行了拟合,得到反应产物甲酯的动力学曲线,为生物柴油的工业最优化设计,最佳控制提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 生物柴油
• 1.1.1 生物柴油概述
• 1.1.2 发展生物柴油的意义
• 1.1.3 国内外应用现状
• 1.1.4 国外研究现状
• 1.1.5 我国生物柴油发展现状
• 1.2 生物柴油制取方法概述
• 1.2.1 直接混合法
• 1.2.2 高温裂解法
• 1.2.3 微乳化法
• 1.2.4 酯交换法
• 1.3 酯交换法合成生物柴油
• 1.3.1 均相催化法
• 1.3.2 固体催化法
• 1.3.3 生物催化法
• 1.3.4 超临界法
• 1.4 固体碱催化剂
• 1.4.1 概述
• 1.4.2 固体碱催化剂在催化反应中的应用
• 1.4.3 固体碱催化剂在油脂酯交换反应中的应用
• 1.5 介孔分子筛MCM-41 概述
• 1.5.1 MCM-41 在化工领域的应用
• 1.5.2 MCM-41 在环境保护领域的应用
• 1.5.3 MCM-41 在生物医学领域的应用
• 1.6 选题意义及课题提出
• 第二章 实验部分
• 2.1 催化剂的制备
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 纯硅MCM-41 的制备
• 2.1.4 固体碱催化剂的制备
• 2.1.5 固体碱催化剂的有机胺功能化
• 2.2 催化活性评价
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 实验原理
• 2.2.4 实验方法
• 2.3 生物柴油检测方法
• 2.3.1 蒸发光散射检测器简介
• 2.3.2 高效液相色谱法-蒸发光散射检测器的优势
• 2.3.3 实验仪器
• 2.3.4 .实验试剂
• 2.3.5 色谱条件和ELSD 参数
• 2.4 催化剂的表征
• 2.4.1 X-射线衍射（XRD）表征
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）表征
• 2.4.3 透射电镜（TEM）表征
• 2.4.4 骨架红外光谱（FTIR）表征
• 2.4.5 热重分析（TGA）表征
• 2-TPD）表征'>2.4.6 化学吸附剂表面碱性测定（CO₂-TPD）表征
• 第三章 催化剂表征分析
• 3.1 催化剂的XRD 分析
• 3.2 催化剂的SEM 分析
• 3.3 催化剂的TEM 分析
• 3.4 催化剂的FTIR 分析
• 3.5 催化剂的TGA 分析
• 2-TPD 分析'>3.6 催化剂的CO₂-TPD 分析
• 3.6.1 脱附活化能经典估算模型
• 3.6.2 TPD 曲线分析
• 第四章 固体碱催化合成生物柴油的工艺研究
• 4.1 原料油保留时间的确定
• 4.2 原料油出峰对产品保留时间的影响
• 4.3 不同活性组分对催化活性的影响
• 4.4 活性组分负载量对催化活性的影响
• 4.5 醇油比对催化合成生物柴油的影响
• 4.6 反应时间对催化合成生物柴油的影响
• 4.7 催化剂用量对催化合成生物柴油的影响
• 4.8 反应产物的动力学曲线
• 4.8.1 研究的意义
• 4.8.2 标准曲线的测定
• 4.8.3 产物浓度与时间关系曲线的测定
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢