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生物柴油是最重要的环境友好可再生资源之一。传统生物柴油生产工艺普遍采用液体强碱强酸催化剂,反应产物难以分离,生产过程中产生大量废水,生成成本高。因此固体酸碱催化剂的开发成为研究热点。
本研究分别以共沉淀法和聚合物网络凝胶法制备镁铝水滑石和镁铝尖晶石的镁铝系非均相固体碱催化剂,并探讨其合成机理。利用掺杂稀有金属元素La对镁铝复合氧化物催化剂进行改性,并采用造孔剂法制成多孔陶瓷催化剂用于制备生物柴油。初步探讨了复合氧化物固体碱催化制备生物柴油的反应机理。
以共沉淀法制得的纯相镁铝水滑石晶体为六角形纳米片晶。最佳制备工艺条件为NaOH浓度大于0.625mol/L、反应温度90℃、干燥时间6h;Na2CO3浓度为0.09mol/L时镁铝水滑石产率可达到最大值95%。
通过在镁铝水滑石晶格中掺杂La3+制得以六角形片晶为主的Mg-Al-La水滑石晶体,平均直径约80nm;500℃焙烧制得的复合金属氧化物具有与MgO类似的晶体结构,晶体不规则层叠,表面存在大量微孔。正交试验结果表明造孔剂含量10%、径厚比9.25、成型压强30MPa可制得气孔率81.1%的多孔陶瓷催化剂。
采用聚合物网络凝胶法制得的镁铝尖晶石纳米晶体呈不规则椭球状,平均粒径约20nm;镁铝尖晶石最佳制备工艺条件为:煅烧温度1000℃、引发剂浓度1.5mmol/L、反应溶液pH=3。引发剂分解动力学研究表明,最佳制备工艺条件下引发剂过硫酸铵半衰期t1/2=1.62h,符合引发剂选择原则。
将实验制得的镁铝系固体碱催化剂用于非均相酯交换反应中制备生物柴油,镁铝尖晶石纳米催化剂生物柴油产率为52.8%,低于Mg-Al复合氧化物催化剂的88%。La3+/Al3+摩尔比为10%的复合氧化物催化剂性价比最佳。Mg-Al-La复合氧化物催化剂制备生物柴油的最佳工艺条件为反应温度65℃、甲醇/豆油摩尔比6∶1、催化剂添加量1.5%、反应时间6h。多孔陶瓷催化剂回收率高达99%以上,生物柴油产率也提高到94%。催化反应机理认为复合氧化物催化剂与甲醇反应生成的表面醇盐是酯交换反应真正的催化剂。制得的生物柴油的物理性能测试结果均符合国家标准,部分性能优于0号柴油标准。