基本信息
- 项目名称：
- 固体碱催化制备生物柴油的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本课题组在不同条件下制备出了一系列固体碱催化剂(如K2CO3/柱层析硅胶、纳米K2CO3/CaO等)，并用于催化菜籽油、大豆油、山苍子核仁油等油脂与甲醇进行酯交换反应来制备生物柴油，系统地考察了各种因素对生物柴油产率的影响。结果表明，在最佳工艺条件下，生物柴油产率最多可达99.1%。
- 详细介绍：
- 作品研究了以廉价易得的柱层析硅胶、高岭土、人造沸石等为载体，经不同的碱溶液处理得到一系列固体碱催化剂，并用于酯交换反应来制取生物柴油，收到了较好的效果。通过对制备得到的不同固体碱催化剂进行了X射线粉末衍射(XRD)、红外光谱分析(FT-IR)、扫描电镜(SEM)及综合热分析(TG-DSC)等技术的表征，初步探讨了催化剂的催化机理。 为了探索不同的固体碱催化菜籽油、大豆油等油脂制备生物柴油的最佳工艺，通过单因素实验或正交实验，考察了影响制备生物柴油的各种因素，确定了最佳工艺条件。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 随着经济的快速发展，能源消耗量不断增加，全球面临着严峻的能源危机。此外，随着人类环保意识的增强，人们逐渐认识到使用石化能源造成的环境污染。生物柴油作为一种新的、环保的能源来替代石化能源必具有巨大的潜力和广阔的市场前景。 本作品研究了一系列高效固体碱催化剂，并用于催化菜籽油、大豆油等油脂与甲醇进行酯交换反应制备生物柴油，系统地考察了各因素对生物柴油酯交换反应的影响，优化了催化工艺。
科学性、先进性及独特之处
- 传统生物柴油的生产大多使用均相催化酯交换法，催化剂为液体(如浓硫酸、磷酸、氢氧化钠等),此法存在精制工序多、成本高、催化剂分离与重复使用困难，产生大量废水等众多缺点。本作品创新之处在于采用了新型绿色固体碱替代均相催化剂，而使用固体碱作催化剂具有反应条件温和，催化效率高、成本较低，催化剂易回收、再生，产品容易分离，工艺流程简单且环保，便于生物柴油连续生产等优点。
应用价值和现实意义
- 近年来能源消耗量在不断增加，而石油储量正在逐渐减少，价格不断上涨，全球都面临着严重的能源危机。在此形势下，开发新的、绿色的、可再生的、环保清洁的能源¬—生物柴油具有实际应用价值和现实意义。
学术论文摘要
- 本课题组在不同条件下制备出了一系列固体碱催化剂，并运用XRD、FT-IR、TG-DSC、SEM等技术手段对催化剂进行了表征，同时研究使用这些催化剂催化制备生物柴油的最佳工艺条件。研究结果表明：以K2CO3/柱层析硅胶催化菜籽油制备生物柴油时，在催化剂的制备温度为120℃，催化剂用量为原料油质量的5%，醇油摩尔比为12:1，反应温度70℃，反应时间2h，生物柴油产率可达95.2%；以人造沸石固载碱(K2CO3/人造沸石、CaO/人造沸石)催化菜籽油制备生物柴油时，在最佳条件下，生物柴油产率达98%；以K2CO3/高岭土催化菜籽油制备生物柴油时，在最佳工艺条件下，生物柴油产率为88.4%；以纳米K2CO3/CaO催化大豆油制备生物柴油时，在反应温度70℃，催化剂用量为3％，醇油摩尔比12:1，反应时间1h，生物柴油产率可达99.1%。
获奖情况
- 1.本作品涉及到的文章<柱层析硅胶固载K2CO3催化合成生物柴油的研究>已被《燃料化学学报》录用(核心期刊，Ei收录)、<纳米K2CO3/CaO催化大豆油制备生物柴油>已发表《化学工程》(核心期刊)2011年第4期上、<固体碱催化剂CaO-人造沸石催化制备生物柴油的研究>已发表在《安徽农业科学》(核心期刊)2011年第3期上、<高岭土固载碳酸钾催化制备生物柴油的研究>已发表在《广东化工》2010年第10期上、<固体碱催化菜籽油合成生物柴油的研究>已被《农业机械•粮油加工》(核心期刊)录用。 2.该作品2011年荣获第十二届省级“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛中自然科学类“一等奖”。
鉴定结果
- 本作品经两年的研究，探索出一系列催化活性较高的固体碱催化剂，并成功将其应用于催化制备生物柴油。其中一篇论文已被《燃料化学学报》录用(Ei收录)，其它相关论文也相应的发表在《化学工程》等期刊上。
参考文献
- [1] 黄慨, 颜涌捷, 陈晴等. 钙镁负载型固体碱制备生物柴油的研究[J].太阳能学报, 2009,30(2): 249-255. [2] 黄仕钧, 陈英, 谢颖等. 钙基固体碱催化酯交换反应制备生物柴油中的研究进展[J].中国油脂，2010,35(3):46-50. [3] 姜绍通, 徐涟漪, 周勤丽等. 固体碱催化棉籽油制备生物柴油[J].农业工程学报, 2011,27(3): 254-259.
同类课题研究水平概述
- 近年来，能源危机和环境污染已经成为人类生存和发展的两大问题，严重影响着社会经济健康持续的发展。世界各国都非常重视开发清洁可再生的新能源，来逐步替代不可再生的矿石能源。生物柴油作为一种新型环境友好型燃料，用来替代石化柴油具有巨大的潜力和广阔的市场前景。张新海等[1]以MCM-41为载体负载Na2CO3制备Na2CO3/MCM-41型酯交换催化剂，用于催化大豆油制备生物柴油，并优化了制备工艺。结果表明，最佳反应条件是醇油摩尔比16:1，催化剂用量为油质量的3%，反应温度为60℃，反应时间为3h条件下，酯交换转化率可达35%。邓欣等[2]以尿素为沉淀剂制备了纳米Ca-Mg-Al水滑石，采用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对其进行了表征，以其煅烧后得到的纳米Ca-Mg-Al复合金属氧化物为固体碱催化剂，采用微水相超声波辐射协同固体碱催化小桐子油与甲醇进行酯交换反应制备生物柴油，研究结果表明，在最佳反应条件下，生物柴油收率达94.3％。Marchetti等[3]人以树脂550A催化由10%油酸和90%精制葵花籽油组成的混合油与甲醇的酯化反应，在反应温度为45℃，催化剂用量为油质量的2.267% ，醇油摩尔比6:1，反应2h酯化率达到85%以上。在酯化和酯交换反应中，固体碱催化剂与传统工艺上用的硫酸、磷酸等液体酸和氢氧化物等碱性物质比较，固体碱催化剂都有很好的催化活性，不产生大量的废液，工艺流程简单，产品容易分离提纯，不腐蚀设备，是一种可再生的绿色环境友好型催化剂。但本课题组探索出的固体碱催化剂，文献报道较少，可为生物柴油的发展提供了理论和技术上的参考。 参考文献： [1]张新海，张守花，张洪浩.Na2CO3/MCM-41型固体碱催化制备生物柴油[J].应用化工，2010,39(6):863-866. [2]邓欣，方真，胡远飞等.微水相超声波协同纳米Ca-Mg-Al固体碱催化制备生物柴油[J].石油化工，2009,(10):1071-1075. [3]Marchetti J M，Miguel V U，Errazu A F.Heterogeneous esterification of oil with high amount of free fattyacids[J].Fuel，2007,86:906-910.
