固体碱催化剂的制备、表征及其在餐饮废油制备生物柴油中的应用

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随着化石能源的日益枯竭及其在使用过程中所带来的严重环境污染问题,开发与利用环境友好的可再生能源已迫在眉睫。生物柴油具有可再生、环保性好、安全性高、使用性能佳以及兼容性高的突出优点,被公认为是矿物柴油的理想替代品。我国每年都会产生大量的餐饮废油,既污染环境,又危害人们的健康。若能将这些餐饮废油转化为生物柴油,不仅能够有效消除餐饮废油的危害,而且可以为制备生物柴油提供充足的原料,具有很高的应用价值。因此,本论文选取购买的餐饮废油为初始原料来制备生物柴油。首先对餐饮废油进行纯化处理,使其达到制备生物柴油的原料要求。然后通过所合成的锌镧固体碱和Ca/SBA-15固体碱催化酯交换反应将纯化后的餐饮废油转化为生物柴油,优化了固体碱催化剂的制备条件和酯交换法制备生物柴油的反应条件,表征了最佳催化剂的相关理化性质,考察了最佳催化剂的重复使用性能,并对制得的生物柴油进行了成分分析和产率计算。本论文的主要研究成果如下:(1)采用共沉淀法,以草酸铵为沉淀剂,制备了锌镧固体碱催化剂,将其应用于催化酯交换反应制备生物柴油。通过热重-差热分析(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)以及扫描电子显微镜(SEM)等方法对催化剂的组成和形貌进行表征。结果表明,700℃焙烧制备的Zn/La摩尔比为3:1的固体碱催化剂具有最佳的催化活性。最佳催化剂是由ZnO和La2O3均匀混合组成,粒径在100nm左右。在醇油摩尔比为36:1、催化剂用量5wt.%(为油的质量)、200℃反应3h的最佳反应条件下,生物柴油产率能够达到91.6wt.%。最佳催化剂在使用过程中存在一定程度的流失问题,但连续使用4次后,生物柴油的产率仍能保持在80wt.%以上。(2)采用溶胶凝胶法,以正硅酸四乙酯为硅源、乙酸钙为钙源、P123为模板剂,经一步焙烧制备了Ca/SBA-15固体碱催化剂,将其应用于催化酯交换反应制备生物柴油。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、透射电子显微镜(TEM)以及N2吸附-脱附分析等方法对催化剂的组成和形貌进行表征。结果表明,在700℃焙烧制备的Ca/Si摩尔比为0.2的固体碱催化剂具有最佳的催化活性。最佳催化剂能够很好地保持SBA-15材料原有的二维六方相有序介孔结构,比表面积达到406.7m2g-1。在醇油摩尔比12:1,催化剂用量5wt.%,氮气气氛中65℃反应7h的最佳反应条件下,生物柴油产率可以达到94.7wt.%。最佳催化剂经洗涤和干燥后无需活化即可继续用于下一次的反应,连续使用5次后,催化剂的活性有所下降,但制得的生物柴油产率仍能保持在86wt.%以上。(3)通过气相色谱-质谱(GC-MS)对两种最佳固体碱催化剂催化制得的生物柴油进行了成分分析。结果表明:最佳锌镧固体碱催化剂和最佳Ca/SBA-15固体碱催化剂制得的生物柴油成分相似,两种生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯的相对含量分别为74.0wt.%和70.5wt.%,均主要含有9种主要的脂肪酸甲酯,含量由高到低分别为油酸甲酯、亚油酸甲酯、棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、亚麻酸甲酯、棕榈油酸甲酯、花生一烯酸甲酯、肉豆蔻酸甲酯和花生酸甲酯。
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