磁性固体碱的制备、表征及其在生物柴油中的应用

摘要

生物柴油作为一种绿色可再生能源，不含硫和芳香烃、闪点高，并且润滑性能好，可生物降解。目前，在工业生产中主要通过均相酸、碱催化酯化反应或酯交换反应制备生物柴油，具有反应速度快、转化率高等优点，但同时存在废液多、催化剂分离困难、工艺复杂等缺点。以固体碱作为酯交换反应的催化剂，不仅可避免传统均相催化剂存在的问题，而且具有反应条件温和、催化剂可重复使用、可自动化连续生产、对设备无腐蚀、对环境无污染等优点。
　　 本课题设计了两种新型的双功能磁性固体碱催化剂(K/BC-Fe3O4和K/ZrO2-Fe3O4)，赋予固体碱催化剂磁性，解决了固体碱催化剂不易回收的难题。研究了磁性固体碱催化剂的前期制备条件，对磁性固体碱催化剂K/BC-Fe3O4和K/ZrO2-Fe3O4进行了全面的表征，并将其应用到了生物柴油的制备中。研究结果如下:
　　 (1)采用原位合成法制备了磁性竹炭固体碱催化剂K/BC-Fe3O4，最优制备条件为:KNO3负载量30％，煅烧温度500℃，煅烧时间3h。扫描电镜(SEM)、低温N2吸附-脱附、X射线粉末衍射(XRD)和振动样品磁强计(VSM)的表征结果表明:磁性竹炭固体碱催化剂是一种介孔催化剂。前驱体经过高温煅烧后产生了强碱性位点，并出现了α-Fe2O3和γ-Fe2O3的特征衍射峰。该磁性催化剂的最大饱和磁强度达到35.1 emu/mg，反应后可以通过外加磁场分离。酯交换反应的最优条件为:反应温度60℃，醇油比8∶1，催化剂的用量2.5％，反应时间1h，且生物柴油产率达到98％以上。
　　 (2)采用溶胶-凝胶法制备磁性纳米固体碱催化剂K/ZrO2-Fe3O4的最优条件为:KOH负载量30％，煅烧温度600℃，煅烧时间4h。透射电镜(TEM)、低温N2吸附-脱附、X射线粉末衍射(XRD)和振动样品磁强计(VSM)的表征结果表明:该磁性催化剂是一种纳米介孔催化剂，粒径为15-20 nm;前驱体经过高温煅烧，Zr(OH)4从无定形材料转变为ZrO2晶体，在氧化锆表面产生强碱性位点。该磁性催化剂煅烧后的最大饱和磁强度达到15.4 emu/mg。酯交换反应的最优条件为:反应温度65℃，醇油比10∶1，催化剂的用量5.0％，反应时间3h，生物柴油产率达到93.6％以上。
　　 (3)开发了一种新的废弃油脂。将烤鸭油作为生物柴油的原料。通过GC/MS，测定了烤鸭油中脂肪酸的组成成分及含量，以NaOH为均相碱催化剂，并对其酯交换反应后产物中脂肪酸甲酯及含量进行了气相色谱分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 生物柴油

1．2．1 生物柴油简介

1．2．2 生物柴油的优点

1．2．3 生物柴油的缺点

1．2．4 生物柴油的现状及发展

1．3 生物柴油的制备技术

1．3．1 物理法

1．3．2 化学法

1．3．3 超临界法

1．4 酯交换反应的催化剂

1．4．1 均相催化剂

1．4．2 非均相催化剂

1．4．3 离子液体

1．4．4 脂肪酶催化剂

1．4．5 小结

1．5 论文设计思想及意义

第二章 大豆油理化性质测定和脂肪酸甲酯分析方法的建立

2．1 大豆油物理性质的测定

2．1．1 大豆油酸值的测定

2．1．2 大豆油含水量的测定

2．1．3 大豆油皂化值的测定

2．1．4 大豆油平均分子量的计算

2．2．大豆油中脂肪酸成分的测定

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 样品的甲酯化

2．2．3 GC／MS检测条件

2．2．4 样品定量和定性分析

2．2．5 GC／MS谱图分析

2．3 脂肪酸甲酯气相色谱分析方法的建立

2．3．1 仪器与试剂

2．3．2 气相色谱检测条件

2．3．3 校正因子的测定

2．3．4 内标法测定脂肪酸甲酯产率

2．3．5 生物柴油的气相色谱图分析

第三章 磁性竹炭固体碱K／BC-Fe3O4的制备表征及应用

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 磁性竹炭固体碱K／BC-Fe3O4的制备

3．2．3 磁性竹炭固体碱K／BC-Fe3O4的表征

3．2．4 酯交换反应

3．3 结果与讨论

3．3．1 磁性竹炭固体碱K／BC-Fe3O4制备条件的优化

3．3．2 磁性竹炭固体碱K／BC-Fe3O4的表征

3．3．3 磁性竹炭固体碱K／BC-Fe3O4在生物柴油中的应用

3．3．4 磁性竹炭固体碱K／BC-Fe3O4反应机理的探讨

第四章 磁性纳米固体碱K／ZrO2-Fe3O4的制备表征及应用

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品与仪器

4．2．2 磁性纳米固体碱K／ZrO2-Fe3O4的制备

4．2．3 磁性纳米固体碱K／ZrO2-Fe3O4的表征

4．2．4 酯交换反应

4．3 结果和讨论

4．3．1 磁性纳米固体碱K／ZrO2-Fe3O4制备条件的优化

4．3．2 磁性纳米固体碱K／ZrO2-Fe3O4的表征

4．3．3 磁性纳米固体碱K／ZrO2-Fe3O4在生物柴油制备中的应用

4．3．4 磁性纳米固体碱K／ZrO2-Fe3O4反应机理的探讨

第五章 废弃油脂制备生物柴油的研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验药品与仪器

5．2．2 废弃油脂物理性质的测定

5．2．3 废弃油脂脂肪酸成分的测定

5．2．4 酯交换反应

5．3 结果与讨论

5．3．1 废弃油脂的GC／MS谱图分析

5．3．2 废弃油脂制备生物柴油反应条件的优化

5．3．3 生物柴油的气相色谱分析

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间获得成果