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基本信息

項(xiàng)目名稱：
NaF/Al2O3催化餐飲廢油制備生物柴油的研究
小類：
能源化工
簡介：
生物柴油是以動(dòng)、植物油脂為原料，與甲醇等低級醇發(fā)生酯交換反應(yīng)而制得的產(chǎn)物，是一種環(huán)境友好的可再生能源。本文綜述了國內(nèi)外生物柴油的研究狀況及制備方法，并實(shí)驗(yàn)探討NaF/Al2O3催化餐飲廢油與甲醇的酯化反應(yīng)，利用正交實(shí)驗(yàn)、單因素實(shí)驗(yàn)討論醇油比、催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對生物柴油產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明制備生物柴油的最佳工藝條件為：醇/油摩爾比為9:1、催化劑用量2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、反應(yīng)溫度62℃、反應(yīng)時(shí)間90 分鐘。在最佳工藝條件下產(chǎn)率可達(dá)90%以上。
詳細(xì)介紹：
生物柴油是指由植物油、動(dòng)物油酯與甲醇等低級醇經(jīng)酯交換產(chǎn)生的脂肪酸甲酯，其主要成分是硬脂酸甲酯、軟脂酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯,是一種環(huán)境友好的可再生能源?，F(xiàn)行的生物柴油制備方法有：直接混合法，微乳液法，高溫裂解法，酯交換反應(yīng)法等。在柴油的制備方法中，酯交換法是研究最多的，按催化劑的不同，可分為酸催化酯交換法、堿催化酯交換法、酶催化酯交換法等。其中固體堿催化劑用于制備生物柴油有皂化程度小、產(chǎn)品不需要水洗,過程不產(chǎn)生廢酸、堿液，環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)旨在通過制備高比表面、高催化活性的負(fù)載型固體納米堿NaF/Al2O3，并通過對NaF/Al2O3催化餐飲廢油與甲醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)的研究，考察催化劑用量、醇油比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等對生物柴油產(chǎn)率的影響，找到制備生物柴油的最佳工藝條件。 實(shí)驗(yàn)首先將一定量的Al2O3粉末干燥備用。按一定量的NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3混合。加入適量的蒸餾水，充分?jǐn)嚢杌靹?，干燥。固體樣品經(jīng)過一定的程序升溫焙燒，得到一定量的固體粉末催化劑。 然后將餐飲廢油和一定量的甲醇加入三口燒瓶，在不斷攪拌下加入一定量的NaF/Al2O3催化劑，加熱并恒溫至所設(shè)溫度，回流一定時(shí)間，停止反應(yīng)，離心分離出催化劑，再常壓蒸餾出過量的甲醇，將殘留物靜置分層得到粗生物柴油。 為了探求酯交換反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件，實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)方法，對餐飲廢油酯交換反應(yīng)的條件進(jìn)行優(yōu)化。從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：在所選的影響因素各水平下，酯交換反應(yīng)都能夠很好地進(jìn)行,靜置后混合液都有明顯的分層。本實(shí)驗(yàn)的甲酯得率在84.76%~93.88%之間,說明酯交換在適合的反應(yīng)條件下反應(yīng)基本完全,餐飲廢油中的主要成分甘油三酸酯經(jīng)酯交換反應(yīng)基本上完全轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯。餐飲廢油甲酯化反應(yīng)的影響因素由大到小依次為:催化劑用量、醇油摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：醇油摩爾比為9:1、催化劑用量2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、反應(yīng)溫度62℃、反應(yīng)時(shí)間90分鐘為反應(yīng)最佳條件，在此反應(yīng)條件下轉(zhuǎn)化率可達(dá)93.88%。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

通過對NaF/Al2O3催化餐飲廢油與甲醇酯交換反應(yīng)的研究，考察催化劑用量、醇油比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對生物柴油產(chǎn)率的影響，找到制備生物柴油的最佳工藝條件。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

固體堿催化劑用于制備生物柴油的優(yōu)點(diǎn)是皂化程度小、產(chǎn)品基本不需要水洗,不產(chǎn)生廢酸、堿液，環(huán)境污染小；但普遍存在的問題是催化效率低、反應(yīng)速率慢。本課題NaF/Al2O3為催化劑制備生物柴油,該催化劑具有高比表面、高催化活性,因此用量較少,催化效率高,沒有環(huán)境污染。國內(nèi)文獻(xiàn)中末見其相關(guān)報(bào)道。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

一是能源安全的戰(zhàn)略意義，生物柴油可以減少對石油的依靠；二是環(huán)保意義，與普通柴油相比，生物柴油不含硫、芳香族化合物，因而燃燒時(shí)有毒物質(zhì)的排放大大降低；三是餐飲廢油可得到很好的處理和利用，避免重新流入餐館。

學(xué)術(shù)論文摘要

生物柴油是以動(dòng)、植物油脂為原料，與甲醇等低級醇發(fā)生酯交換反應(yīng)而制得的產(chǎn)物，是一種環(huán)境友好的可再生能源。本文綜述了國內(nèi)外生物柴油的研究狀況及制備方法，并實(shí)驗(yàn)探討NaF/Al2O3催化餐飲廢油與甲醇的酯化反應(yīng)，利用正交實(shí)驗(yàn)、單因素實(shí)驗(yàn)討論醇油比、催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對生物柴油產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明制備生物柴油的最佳工藝條件為：醇/油摩爾比為9:1、催化劑用量2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、反應(yīng)溫度62℃、反應(yīng)時(shí)間90 分鐘。在最佳工藝條件下產(chǎn)率可達(dá)90%以上。

獲獎(jiǎng)情況

無

鑒定結(jié)果

本項(xiàng)研究成功地開發(fā)出轉(zhuǎn)化過程的新型催化劑NaF/Al2O3和轉(zhuǎn)化過程的最佳工藝條件。該催化劑有高比表面、高催化活性等特點(diǎn)，催化反應(yīng)過程中用量少，催化效率高，無污染，領(lǐng)先國內(nèi)，有較強(qiáng)的應(yīng)用性和市場前景。

參考文獻(xiàn)

參考文獻(xiàn): [1] 閔恩澤,唐忠等.發(fā)展我國生物柴油產(chǎn)業(yè)的探討[J].中國工程科學(xué),2005,7(4):124 [2]蘇暢,趙崇峰等.生物柴油技術(shù)的進(jìn)展[J].當(dāng)代化工,2004,33(2):79-81 [3]宋玉春.中國生物柴油亟待產(chǎn)業(yè)化[J].化工文摘,2004,(3):17-19 [4]Kusdiana,D.Kinetics of transesterification in rapeseed oil to biodiesel fuel as treated in supercritical methanol [J].Fuel,2001,5, 693-698

同類課題研究水平概述

生物柴油的制備可分為酸催化法、堿催化法、生物催化法、超臨界法等。 (1)酸催化法 酸催化法分又分為液體酸催化法與固體酸催化法。較常用的催化劑有濃硫酸、磷酸等,酸催化酯交換適用于脂肪酸和水含量高的油脂制備生物柴油,產(chǎn)率較高,但反應(yīng)速率慢,酸耗大,分離難,且設(shè)備易腐蝕,易產(chǎn)生三廢。而固體酸大致分為固體超強(qiáng)酸、分子篩和雜多酸,用固體酸作催化劑,副反應(yīng)少,易于反應(yīng)分離,操作條件易于控制,無污染;但同時(shí)也有反應(yīng)存在傳質(zhì)問題、反應(yīng)速率比液體酸更慢、催化劑容易失活等不足。 (2)堿催化法 堿催化法也可分為液體堿催化法與固體堿催化法。液體堿催化法在國外已被廣泛應(yīng)用,該法可在低溫下獲得較高產(chǎn)率,反應(yīng)速率快,但它對原料中游離脂肪酸和水的含量卻有較高要求。因在反應(yīng)過程中,游離脂肪酸會(huì)與堿發(fā)生皂化反應(yīng)產(chǎn)生乳化現(xiàn)象,而所含水分則能引起酯水解,進(jìn)而發(fā)生皂化反應(yīng),同時(shí)它也能減弱催化劑活性。另一方面，為了消除液體堿催化法存在廢液多、副反應(yīng)多和乳化現(xiàn)象嚴(yán)重等問題,固體堿催化劑研究與應(yīng)用不斷深入，該類催化劑主要包括金屬鹽類、金屬氧化物及其負(fù)載型催化劑、強(qiáng)堿陰離子交換樹脂、水滑石類陰離子型層狀材料催化劑和沸石催化劑等。 (3)生物催化法 酶催化制備生物柴油具有條件溫和、醇用量小、產(chǎn)品易于收集、無污染排放等優(yōu)點(diǎn)。用于催化合成生物柴油脂肪酶主要是酵母脂肪酶、根霉脂肪酶等。用脂肪酶為催化劑制備生物柴油只需加入理論量甲醇就可使反應(yīng)順利進(jìn)行。但當(dāng)反應(yīng)體系中甲醇達(dá)到一定量時(shí),脂肪酶就會(huì)失去活性,且反應(yīng)產(chǎn)生甘油也很容易堵塞固定脂肪酶孔徑,嚴(yán)重影響酶的反應(yīng)活性。同時(shí),由于酶價(jià)格高,反應(yīng)時(shí)間太長,反應(yīng)產(chǎn)率低,因此酶催化劑應(yīng)用受到限制,尚不具備工業(yè)化條件。 (4)超臨界法 超臨界法是在甲醇處于超臨界狀態(tài)下進(jìn)行的。該條件下,在很短時(shí)間內(nèi)就可獲得極高轉(zhuǎn)化率,且該法可使生物柴油后處理過程大為簡化。超臨界酯交換過程中,酯交換反應(yīng)速率快,產(chǎn)品的分離提純簡單和產(chǎn)率高,且該方法對油脂中的游離脂肪酸和水的含量無任何要求。該方法需要在高溫高壓下進(jìn)行,導(dǎo)致很高的生產(chǎn)費(fèi)用和能源消耗,目前還很難工業(yè)化。 綜上所述，生物柴油的研究發(fā)展趨勢是: ①油脂甲酯化轉(zhuǎn)化技術(shù)由間歇式生產(chǎn)轉(zhuǎn)向常壓連續(xù)化生產(chǎn); ②尋找高效率的固體催化劑用于轉(zhuǎn)化油脂; ③開發(fā)固體堿催化酯交換工藝、酶催化酯交換工藝等新工藝,最大限度的優(yōu)化工藝過程,降低生產(chǎn)成本。
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