微波条件下阳离子交换树脂催化提质生物油的研究

摘要

面对急剧增长的能源消耗需求和化石燃料的日益枯竭，生物资源作为一种可再生能源越来越受到人们的关注。将生物物质快速热裂解并液化可获得棕黑色的生物油，此生物油是一种清洁的可再生能源，但由于其组成复杂，含有多种含氧类有机化合物，包括羧酸类、醛类、酮类、酚类以及糖类等物质，具有含氧量高、含水量多、酸性高、黏度大及腐蚀性强等缺点，与高品位燃油还有比较大的差距，因此需要进行一定的提质处理。
　　 对生物油的改质处理的方法很多，目前国际上主要分为物理加工和化学改质两种。其中物理加工主要包括乳化及萃取分离等；化学改质主要包括催化加氢、催化裂解、水蒸气重整和催化酯化。生物油具有物种多样和易积碳等特性，使得物理加工和高温催化精制难度大、效率低；而采用催化酯化改质生物油的工艺相对来说更为经济、简单和高效，因此，受到越来越多的关注。
　　 微波条件下催化酯化在不脱氧的情况下对生物油中的含氧化合物进行改质，生成稳定而易燃的含氧有机物，是针对生物油的化学组成特点，以降低酸性和提高热值为目标提出的新的提质生物油的方法。
　　 本研究主要取得了一下创新成果：
　　 1、微波条件下723型阳离子交换树脂催化提制生物油的研究
　　 针对生物油的化学组成特点，以降低酸性和提高燃烧热为目标，采用催化酯化方法提质生物油。
　　 2、Zn2+改性离子交换树脂催化剂的合成、表征及其微波催化性能研究
　　 用离子交换的方法，制备了氯化锌改性的阳离子交换树脂催化剂，对制备条件进行讨论，探索出了较好的制备方法。用酸碱滴定法测定H+交换容量，采用紫外-可见光谱、傅里叶红外变换光谱，扫描电镜和低温氮物理吸附对改性后催化剂的结构，光谱特征和表面结构进行了表征。
　　 3、微波条件下Zn2+改性723型阳离子交换树脂催化提制生物油的研究
　　 以732型阳离子交换树脂和ZnCl2改性离子交换树脂为催化剂，添加乙醇为溶剂，对生物油进行催化酯化提质。比较研究了两种催化随催化剂用量、反应时间及反应温度改变对生物油提质效果的影响，同时考察了微波加热与传统水浴加热条件下催化剂的催化活性。
　　 4、微波条件下生物油轻质组分的催化提质研究
　　 采用减压蒸馏的的对生物油进行分级提质，重点考察生物油轻质组分微波条件下催化酯化反应机理及反应规律，利用乙酸、乙醇和糠醛为模型反应物，探讨了糠醛氧化酯化的反应机理。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 文献综述

1.1 生物油开发利用的意义及研究现状

1.2 目前采用的生物油提质方法

1.2.1 物理加工

1.2.2 化学提质

1.3 离子交换树脂催化剂催化酯化的研究

1.3.1 离子交换机理

1.3.2 阳离子交换树脂催化剂在酯化反应中的直接应用

1.3.3 改性离子交换树脂催化剂在酯化反应中的应用

1.4 微波辐射技术在酯化反应中的应用进展

1.4.1 微波加热原理

1.4.2 微波在一元羧酸酯化反应中的应用

1.4.3 微波在二元羧酸和具有空间位阻的酸酯化反应中的应用

1.4.4 微波在多糖等大分子链分子酯化反应中的应用

1.5 立题依据及研究容

1.5.1 立题依据

1.5.2 研究内容

1.6 参考文献

第二章 实验方法和表征手段

2.1 实验仪器与化学试剂

2.1.1 常用化学试剂和生产厂家

2.1.2 常用仪器的型号及厂家

2.2 微波条件下生物油提质反应方法

2.2.1 模型反应

2.2.2 生物油体系反应

2.3 生物油提质前后的分析方法

2.3.1 生物油提质前后的气相色谱-质谱联用分析

2.3.2 生物油理化性质的分析

2.4 生物油的减压蒸馏处理

2.5 催化剂的制备

2.6 催化剂的表征

2.6.1 紫外(UV)测定

2.6.2 红外(IR)测定

2.6.3 扫描电镜(SEM)测定

2.6.4 比表面积和孔结构的测定

第三章 微波条件下732型阳离子交换树脂催化提质生物油的研究

3.1 前言

3.2 适合微波条件下固体催化剂的选择

3.2.1 催化剂的制备

3.2.2 不同类型催化剂活性比较

3.3 适合微波条件下固体催化剂的选择

3.3.1 催化剂用量对酯化反应的影响

3.3.2 反应时间对酯化反应的影响

3.3.3 反应温度对酯化反应的影响

3.4 微波条件下生物油的催化提质反应

3.4.1 生物油物理性质的变化

3.4.2 生物油化学组分的变化

3.5 加热方式对酯化反应的影响

3.6 小结

3.7 参考文献

第四章 氯化锌改性离子交换树脂的合成、表征及其微波酯化性能的研究

4.1 前言

4.2 改性树脂催化剂的制备

4.3 催化剂酯化反应性能评价

4.4 制备因素对催化剂活性影响

4.4.1 ZnCl2浓度对催化效果的影响

4.4.2 离子交换时间对催化效果的影响

4.4.3 溶剂对催化效果的影响

4.5 改性树脂的表征

4.5.1 H+交换容量、酸强度的测定

4.5.2 紫外(Uv-VIS)结果

4.5.3 红外(FI-IR)结果

4.5.4 扫描电镜(SEM)结果

4.5.5 比表面(BET)结果

4.5.6 改性前后催化剂催化性能比较

4.6 改性树脂在含水体系中的活性和重复性

4.7 小结

4.8 参考文献

第五章 微波条件下氯化锌改性离子交换树脂催化提质生物油的研究

5.1 前言

5.2 微波条件下生物油酯化反应最佳条件探索

5.2.1 催化剂用量对酯化反应的影响

5.2.2 反应时间对酯化反应的影响

5.2.3 反应温度对酯化反应的影响

5.2.4 改性树脂在生物油中的重复性

5.3 不同加热方式对酯化反应的影响

5.4 微波条件下生物油的催化提质

5.4.1 提质过程对生物油化学组分的影响

5.4.2 提质前后生物油物化性质的变化

5.5 小结

5.6 参考文献：

第六章 微波条件下生物油轻质组分的催化提质研究

6.1 前言

6.2 分级生物油的成分分析

6.2.1 分析方法

6.2.2 生物油的蒸馏分离

6.2.3 轻质生物油组分的GC-MS分析

6.2.4 重质生物油组分的GC-MS分析

6.3 生物油轻质组分模拟化合物最佳反应条件探索

6.3.1 微波加热条件下最佳溶剂的选择

6.3.2 筛选适合生物油轻质组分的最佳催化剂

6.3.3 加热方式对提质效果的影响

6.4 反应过程机理探讨

6.5 轻质组分提质前后化学组分对比

6.6 轻质组分提质前后物化性质变化

6.7 小结

6.8 参考文献

第七章 全文总结

硕士期间发表论文