玉米高直链淀粉碳基固体酸的水热制备及其催化性能研究

摘要

近年来，固体酸催化剂在生物质资源转化及生物能源领域中的优势倍受关注。特别是在生物柴油的绿色制备中，固体酸催化剂具有不易失活、可回收利用、能催化高酸值油脂等特点，但同时也存在制备条件苛刻、能耗高、成本高以及催化活力低等问题。
　　本论文从寻找绿色方法制备高效、低廉的新型固体酸催化剂的角度出发，以高直链玉米淀粉为原料，通过低温水热不完全碳化和磺化两步法制备了碳基固体酸催化剂。系统的研究了不同制备条件及参数对固体酸催化活性的影响；通过对优化条件下制备的固体酸结构及成分的表征，探讨了该碳基固体酸催化剂的构效关系；以油酸与甲醇的酯化反应为模型，考察了反应温度，反应时间，醇油摩尔比，催化剂用量等因素对固体酸催化性能的影响，获得了该固体酸催化酯化反应的最佳条件。研究结果表明：
　　（1）在碳化温度180℃，碳化时间14 h，磺化温度60℃，磺化时间10 h，淀粉浓度10％，浓硫酸与淀粉的体积与质量比为3 mL/g的条件下制备的高直链淀粉固体酸具有较好的催化活性，2 h脂肪酸甲酯的产率高达98.5%。
　　（2）通过扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶转换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、元素分析对固体酸的结构域成分进行了表征，结果表明通过水热法制备的高直链碳基固体酸具有多环芳烃碳骨架的结构和丰富的酸性集团-OH、-COOH、-SO3H。
　　（3）上述高直链淀粉碳基固体酸催化油酸与甲醇的酯化反应的最佳条件为：反应温度95℃，催化剂用量为15%，醇油摩尔比10:1，酯化反应2 h，餐饮废油中脂肪酸甲酯酯化率可达98.86%。
　　（4）对催化剂进行5次重复利用，尽管重复后转化效率有所降低（从98%降低到83%）但仍保持在较高水平，说明以水热法制备的高直链碳基固体酸具有较高的稳定性，重复使用性能较好。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

插图与附表清单

1 文献综述

1.1生物柴油

1.1.1生物柴油的介绍

1.1.2生物柴油的性能

1.1.3生物柴油在国内外的发展现状（1）国外生物柴油的发展现状

1.1.4生物柴油的主要生产方法

1.1.5生物柴油的原料

1.2 固体酸催化剂

1.2.1固体酸催化剂的简介

1.2.2固体酸催化剂的研究进展

1.2.3新型碳基固体酸催化剂

1.2.4水热法合成生物质碳基固体酸催化剂

2 引 言

2.1 本课题研究意义

2.2 本研究的内容与目标

3 材料与方法

3.1 实验材料与设备

3.1.1 实验试剂

3.1.2 实验设备

3.2 固体酸的制备与催化性能的评价

3.2.1固体酸的制备

3.2.2固体酸催化性能的评价

3.3 固体酸的制备条件对催化性能的影响

3.3.1碳化温度对催化剂活性的影响

3.3.2碳化时间对催化剂活性的影响

3.3.3磺化温度对催化剂活性的影响

3.3.4磺化时间对催化剂活性的影响

3.3.5淀粉浓度对催化剂活性的影响

3.3.6浓硫酸中的用量对催化剂活性的影响

3.4 固体酸的表征

3.4.1固体酸扫描电子显微镜（SEM）分析

3.4.2广角XRD表征

3.4.3傅里叶变换红外光谱表征（FT-IR）

3.4.4元素分析表征

3.5固体酸催化酯化工艺条件的优化

3.5.1实验装置及原理

3.5.2生物柴油制备工艺流程

3.5.3温度对酯化反应的影响

3.5.4反应时间对酯化反应的影响

3.5.5催化剂用量对酯化反应的影响

3.5.6醇油摩尔比对酯化反应的影响

3.5.7催化剂的重复利用性

4 结果与分析

4.1不同制备条件对固体酸催化剂活性的影响

4.1.1 碳化温度对催化剂活性的影响

4.1.2 碳化时间对催化剂活性的影响

4.1.3 磺化温度对催化剂活性的影响

4.1.4磺化时间对催化剂活性的影响

4.1.5 淀粉浓度对催化剂活性的影响

4.1.6 浓硫酸中的用量对催化剂活性的影响

4.2固体酸的表征

4.2.1 固体酸扫描电子显微镜（SEM）分析

4.2.2 固体酸X射线衍射（XRD）分析

4.2.3 固体酸傅立叶转换红外光谱（FT-IR）分析

4.2.4 固体酸的元素分析

4.3固体酸催化酯化的条件优化

4.3.1温度对酯化反应的影响

4.3.2反应时间对酯化反应的影响

4.3.3催化剂用量对酯化反应的影响

4.3.4醇油摩尔比对酯化反应的影响

4.3.5催化剂的重复利用性

5 讨 论

6 结 论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士期间发表的论文