微波辐射下负载型固体碱催化蓖麻油制备生物柴油

摘要

在社会经济高速发展的今天，化石燃料以其应用领域广、消耗量大等特点占据着能源产业的支柱地位，但是由于其不可再生且存在环境问题，化石燃料面临着消耗殆尽和被时代所淘汰的危险。此时，寻找环境友好型和可再生性的可替代能源被推到了前所未有的全球性探索的高度。目前，生物柴油做为可再生资源出现在工业化生产的舞台，同时具有应用价值的新能源还有核能、光能和风能等。生物柴油，学名为脂肪酸单酯，是可再生原料进行酯交换反应生成的脂肪酸甘油三酸酯(TGs)，如植物油（例如，菜籽油，葵花籽油或豆油）与甲醇发生酯交换反应形成生物柴油，主要成份为脂肪酸甲酯(FAME)。在工业应用中，是以碱均相催化制备生物柴油。但是，这种方法的一个缺憾是将酯相纯化后碱液的后处理困难。此时，非均相固体碱催化剂的优点就凸显了出来，不仅消除了产物分离困难的问题（以及随之产生的碱性废液的后处理问题），而且实现了工业化生产的连续性操作。
　　本文以蓖麻油为原料油，通过研究不同的固体碱催化剂来制备生物柴油，主要内容分为以下三部分:
　　1、以NaOH/CaO固体碱为催化剂催化蓖麻油制备生物柴油
　　在本实验中，我们以蓖麻油做为制备生物柴油的原料油，以NaOH/CaO固体碱为催化剂，在微波辐射下与甲醇进行酯交换反应制备生物柴油。对于一个可逆反应，反应物醇油摩尔比、反应温度、催化剂用量（占油质量）及反应时间都影响着产率的大小。为了确定它们的影响程度，本实验中专门设计了四因素三水平的正交实验，通过一系列的化学反应来确定制备生物柴油的最优条件。实验结果证明，在微波输出功率为300W的条件下，将甲醇与蓖麻油按12∶1的比例进行混合，加入3wt％的催化剂用量，设定反应温度为65℃，待反应进行了15min后结束本实验，通过三组平行反应得到反应的平均转化率为97.41％。
　　2、以Fe-CaO氧化物固体碱催化蓖麻油制备生物柴油
　　研究了蓖麻油和甲醇在微波辐射下，以Fe-CaO氧化物做为固体碱催化剂进行酯交换反应制备生物柴油的工艺。完成了Fe-CaO氧化物固体碱催化剂的焙烧温度和Ca∶ Fe摩尔比的优化实验，得出了最优催化性能催化剂的制备条件，并对制备出的催化剂进行了XRD、FT-IR、BET、TG-DSC、SEM表征。对于蓖麻油与甲醇的酯交换反应，考察了微波输出功率、醇油摩尔比、催化剂用量（占油质量）及反应时间对酯交换反应的影响。并通过正交优化实验，确定了最优反应条件，其结果为:微波输出功率为300W、甲醇与蓖麻油摩尔比为12∶1，催化剂用量为3wt％，反应时间为15 min。在此条件下酯交换反应的平均转化率可达到97.89％。
　　3、以Co-CaO氧化物固体碱催化蓖麻油制备生物柴油
　　以蓖麻油为原料油，Co-CaO氧化物固体碱为催化剂，在微波条件下进行酯交换反应制备生物柴油。研究中，我们以不同焙烧温度焙烧用Co(NO3)2·6H2O浸渍过的CaO得到一系列不同的Co-CaO氧化物固体碱样品。并通过FT-IR、BET和TG-DSC对样品进行表征，得出Co-CaO氧化物固体碱催化剂的最优制备条件，通过控制反应条件得出单因素对酯交换反应的影响，并选择合适的反应条件进行正交实验，得出蓖麻油和甲醇在微波辐射下进行酯交换反应的最优反应条件。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物柴油概述

1．1．1 生物柴油的定义

1．1．2 生物柴油的特点

1．2 生物柴油的制备方法

1．2．1 直接混合法(direct use and blending)

1．2．2 微乳化法(microemulsifieation)

1．2．3 高温裂解法(thermal cracking／pyrolysis)

1．2．4 酯交换法(transesterification)

1．3 生物柴油的原料资源

1．3．1 生物柴油原料油简介

1．3．2 能源植物分布及生产生物柴油的潜能

1．4 本论文研究的目的及内容

1．4．1 本论文研究的目的

1．4．2 本论文研究的内容

第二章 实验部分

2．1 生物柴油产率的测定

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验材料与试剂

2．2．2 实验仪器设备

2．3 表征方法

2．3．1 红外光谱分析(FT-IR)

2．3．2 X射线粉末衍射分析(XRD)

2．3．3 比表面积与孔径分布测定(BET)

2．3．4 紫外-可见分光光度计分析(UV-vis)

2．3．5 差热综合分析(TG-DSC)

2．3．6 扫描电子显微镜分析(SEM)

第三章 CaO负载NaOH催化蓖麻油制备生物柴油

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验方法

3．2．2 催化剂的表征

3．2．3 分析测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 催化剂的表征结果

3．3．2 催化剂制备条件的优化

3．3．3 反应条件的优化

3．3．4 NaOH／CaO催化、微波加热条件下的酯交换反应的优化

3．4 本章小结

第四章 CaO负载Fe(NO3)3·9H2O催化蓖麻油制备生物柴油

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验方法

4．2．2 催化剂的表征

4．2．3 分析测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 催化剂的表征结果

4．3．2 催化剂制备条件的优化

4．3．3 反应条件的优化

4．3．4 Fe-CaO(3)氧化物固体碱催化剂催化、微波加热条件下的酯交换反应的优化

4．4 本章小结

第五章 CaO负载Co(NO3)2·6H2O催化蓖麻油制备生物柴油

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 催化剂的表征结果

5．3．2．焙烧温度对催化剂活性的影响

5．3．3 反应条件的优化

5．3．4 Co-CaO催化、微波加热条件下的酯交换反应的优化

5．4 结论

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文