介孔炭基固体酸催化高酸值油脂制备生物柴油的研究

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作为化石柴油的理想替代能源,生物柴油是一种以可再生脂质资源为原料生产的绿色清洁燃料,其生产应用对于构筑绿色、安全、可持续能源模式和缓解因大量使用化石能源带来的环境问题具有十分重要的意义。由于食用植物油受季节限制、与粮争地等影响,近年来,一些非食用原料油脂如麻风果油、微藻油等用作生物柴油的原料倍受关注。此类油脂含有大量的游离脂肪酸(FFA),在生物柴油的制备过程中需要首先进行降酸处理,然而常规的液体酸处理法存在设备腐蚀、环境污染、后处理繁琐等缺陷。针对此问题,本研究制备了介孔炭基固体酸催化剂,将其应用于催化油酸与甲醇的酯化反应,以此模拟油脂的降酸过程,并对介孔炭基固体酸催化酯化过程中副反应的产生机理进行了探讨;进而以麻风果油为实际高酸值原料,分别采用一步法和两步法制备生物柴油,并对工艺条件进行了优化。首先,通过软模板法制备了有序介孔炭(OMCs),并利用自由基加成法成功制得了介孔炭基固体酸(S-OMCs);确定了优化的磺化条件为:煅烧温度500oC、磺化温度80oC、磺化反应底物质量配比1:2:2、磺化反应时间12h;优化的酯化反应条件为:反应温度100oC、反应时间8h、催化剂用量8wt%(催化剂占油酸的质量比)、醇油比8:1,对应的油酸转化率高达95.31%。同时还对磺化介孔炭催化油酸与甲醇酯化的副反应机理进行了探讨。将制得的介孔炭基固体酸催化剂应用于高酸值油脂麻风果油(酸值13.35mgKOH/g)的降酸过程,确定最佳降酸条件为温度100oC、醇油比16:1、催化剂用量4wt%(催化剂占麻风果油的质量比)、反应时间12h,此时麻风果油酸值降到1mgKOH/g以下。采用一步法工艺,以降酸后的麻风果油为原料,在介孔炭基固体酸催化作用下与甲醇发生酯交换反应制备生物柴油,确定适宜反应条件为:反应温度200oC,反应时间3h,生物柴油收率为69.8%。在此基础上,采用两步法制备生物柴油,即经磺化介孔炭降酸处理后,在Ca/Al复合固体碱催化剂作用下制备生物柴油,优化酯交换反应条件为温度70oC、催化剂用量10wt%、反应时间3h,此时生物柴油收率为94.6%。本研究为利用高酸值油脂制备生物柴油的工艺提供了新的理论思路和数据支持。
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