生物柴油制备中新型炭基固体酸催化剂的研究

摘要

能源危机的影响和环境意识的增强使得人们开始寻找一种可再生、环境友好的能替代石油燃料的新能源。生物柴油具有可生物降解性、排放污染小、生产原料来源广泛等特点，因此它成为新能源的一个热点。从目前国内外生物柴油的生产和研究来看，寻找新型高效稳定的固体酸催化剂和廉价反应原料才是关键。
　　 本文以多壁碳纳米管为炭基原料，探索了磺化碳纳米管的最佳制备方法和条件：在130℃高温浓硫酸中磺化10h。并以模拟高酸值油(油酸)为生物柴油原料，研究了磺化碳纳米管作为催化剂的催化活性，得到最佳反应工艺：醇油摩尔比为11:1，反应温度65℃，催化剂用量1.2wt％，反应时间5h，此条件下甲酯产率可达96.7％。
　　 另外，以多壁碳纳米管作为复合材料的原料，采用浸渍法，制备了金属-碳纳米管复合材料--Cr/MWNTs复合材料。探索了制备的最佳条件：浸渍液中酸浓度为98％，浸渍时间为5h。以模拟高酸值油为生物柴油原料，考察了这种复合材料作为催化剂的催化活性，并得到了最佳的反应工艺：催化剂用量1.5wt％，醇油摩尔比10:1，在65℃下反应4h，产率为93.6％。
　　 通过各种方法表征以上两种炭基固体酸，如TEM、FT-IR、TG、XRD等，得到所制备炭基固体酸的形貌、官能团、热稳定性和晶形等方面的信息。结果表明，制备的炭基固体酸相交碳纳米管的形态特征和晶形都有一些变化，并且表面已成功接枝磺酸基团。
　　 用上述两种炭基固体酸来催化高酸值废弃油脂合成生物柴油，对不同影响因素设计了正交实验，研究得到生物柴油的最佳制备工艺：1.用Cr/MWNTs复合材料作为固体酸催化剂，因素对产率的影响大小顺序依次是催化剂用量、反应温度、醇油摩尔比和反应时间。生物柴油最佳的制备工艺为：催化剂用量2wt％，醇油摩尔比15:1，反应温度70℃，反应时间4h，此条件下生物柴油收率达到78.5％。2.用磺化碳纳米管作为固体酸催化剂，得到因素对产率的影响大小顺序依次是催化剂用量、反应温度、反应时间和醇油摩尔比。生物柴油最佳制备工艺为：催化剂用量2wt％，醇油摩尔比15:1，反应温度65℃，反应时间5h。在最佳条件下得到生物柴油的产率为83.2％。
　　 对制备的生物柴油各项性能进行测试，对照各国的生物柴油标准。基本符合国家标准(GB/T20828-2007)的要求，因此可以将其作为柴油发动机燃料使用。