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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 地溝油一步法連續(xù)生產(chǎn)煤浮選劑的催化新工藝
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 本項(xiàng)目通過合成新型多級孔固體（超強(qiáng)）酸催化材料，催化含高游離酸（3-40%）的地溝油等廢油脂，同時(shí)進(jìn)行酯化和酯交換反應(yīng)，采用一步法連續(xù)反應(yīng)工藝來生產(chǎn)生物柴油，產(chǎn)品應(yīng)用于煤泥浮選等領(lǐng)域。項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用一步法連續(xù)多相酸催化反應(yīng)工藝，克服了均相催化兩步法間歇式反應(yīng)工藝的流程長，催化劑耗量大，腐蝕嚴(yán)重，回收復(fù)雜，產(chǎn)品分離困難等缺點(diǎn)。該項(xiàng)目解決了目前地溝油難處理，污染環(huán)境的問題，合理地利用了廢舊資源。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.多級孔固體超強(qiáng)酸催化劑的制備及性能研究 以鋯化合物（或和硅化合物）為主要成分，在反應(yīng)體系中加入多級孔模板劑，經(jīng)過水熱晶化獲得多級孔固相載體，負(fù)載硫酸（磺化）或其他酸性組分，經(jīng)鈍化后獲得具有多級孔結(jié)構(gòu)的、高表面積固體（超強(qiáng)）酸催化劑。 ① 研究水熱晶化的條件，如堿度、時(shí)間、溫度等對催化材料的影響；多級孔模板劑的種類及其對催化材料的影響（必要時(shí)要對模板劑進(jìn)行表面改性），焙燒的氣氛、溫度和時(shí)間對催化材料的影響；磺化的條件如酸濃度、反應(yīng)時(shí)間、溫度等對催化材料表面性能的影響； ② 借助XRD、SEM、TEM、N2吸附、NH3-TPD等先進(jìn)技術(shù)表征催化材料的晶相，孔結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，以此確定制備工藝與材料孔結(jié)構(gòu)和表面性能之間的關(guān)系，用原位FT-IR、UV-vis、NMR、XPS等表征催化劑的官能團(tuán)及活性中心； ③ 選用甲醇和類甘油酸酯分子考察催化劑的孔結(jié)構(gòu)和吸附/脫附性能及分子擴(kuò)散性能，建立吸附等溫線和吸附動力學(xué)模型，為改性催化劑在酯化和酯交換反應(yīng)中的催化作用提供理論基礎(chǔ)； ④ 建立一套對反應(yīng)物和產(chǎn)物完整的分析方法； ⑤ 采用500mL間歇式反應(yīng)器，考察催化劑在酯化和酯交換反應(yīng)過程中的催化性能，以指導(dǎo)催化劑的改良；考察催化劑的反應(yīng)穩(wěn)定性和再生性能，以提高催化劑的使用效果； ⑥ 選用含有高游離酸（FFA 3-40 %）的廢棄油脂（地溝油）進(jìn)行生物柴油制備，通過對催化劑的優(yōu)選和工藝參數(shù)的選擇合成生物柴油。 2 設(shè)計(jì)特殊的雙功能反應(yīng)器 設(shè)計(jì)帶有催化劑床層、回流和液液分離為一體的雙功能反應(yīng)器，使（廢）油脂（含游離酸）和甲醇的酯化和酯交換反應(yīng)能實(shí)現(xiàn)一步連續(xù)運(yùn)行，并同時(shí)具有對目標(biāo)產(chǎn)品的分級分離功能。 3 一步法連續(xù)生產(chǎn)工藝 工藝包括6個(gè)單元操作：地溝油預(yù)處理、催化酯化和酯交換反應(yīng)、生物柴油精制、甘油濃縮精制、甲醇回收循環(huán)利用、未反應(yīng)油脂循環(huán)反應(yīng)。 地溝油經(jīng)預(yù)處理后與甲醇發(fā)生酯化和酯交換反應(yīng)，反應(yīng)后產(chǎn)物先靜置分層得粗生物柴油和甘油水混合物，分別經(jīng)閃蒸和減壓精餾后得到不同餾分的生物柴油，濃縮的甘油通過催化氧化和酯化制得含羥基、羧基的短鏈酯，其他精餾出的甲醇和未反應(yīng)的油脂再循環(huán)回反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：開發(fā)高酸值的油酯或廢油脂（地溝油）一步法連續(xù)生產(chǎn)煤浮選劑的催化劑及催化工藝和技術(shù)。 基本思路：在已有制備中孔固體超強(qiáng)酸催化劑材料基礎(chǔ)上，合成純氧化鋯或摻雜鋯多級孔催化材料, 經(jīng)負(fù)載酸活性物獲得（超強(qiáng)）酸多級孔催化劑。合成模板劑、晶化條件和摻雜物的選擇將提高多級孔催化材料表面的穩(wěn)定性，有利于改善表面對酸活性物種的捕獲和鉚釘性能，從而和合理調(diào)配催化劑表面的酸中心強(qiáng)弱和數(shù)量，提高酸中心的穩(wěn)定性。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- （1）依據(jù)金屬氧化物-金屬氧化物的鍵合理論和相似相容性，選用酸性體系穩(wěn)定的模板劑，摻雜氧化鋯到孔骨架，合成高穩(wěn)定性的超強(qiáng)酸固體材料； （2）通過反應(yīng)器和反應(yīng)體系以及分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平衡兩種反應(yīng)的動力學(xué)差異，依據(jù)多相液體的流態(tài)分布和行為，建立反應(yīng)、分離模擬，設(shè)計(jì)連續(xù)化酯化和酯交換一步催化反應(yīng)工藝； （3）依據(jù)廢棄油脂的性能，獲得的生物柴油應(yīng)用于煤泥浮選工業(yè)。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 直接從餐飲、油料廠等企業(yè)回收廢棄油脂地溝油，提煉加工成生物柴油從生產(chǎn)成本上每噸利潤在2000元左右。從社會影響上可以杜絕不法商販黑作坊生產(chǎn)，避免地溝油二次進(jìn)入餐飲行業(yè)。該工藝的特點(diǎn)在于適應(yīng)不同的原料市場，更利于工業(yè)推廣，帶來更高的社會效益。利用廢舊資源地溝油生產(chǎn)出附加值高的產(chǎn)品煤浮選劑，既保護(hù)環(huán)境減少污染又創(chuàng)造高的經(jīng)濟(jì)收益。既減少了垃圾處理費(fèi)用，又增加了新生企業(yè)的效益和社會就業(yè)率。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 地溝油是主要來源于餐飲等行業(yè)的非食用油，我國每年有300～500百萬t需要處理。然而，由于地溝油的成分復(fù)雜，含游離酸量高（3%～40%），處理困難等原因成為亟待解決的問題。本研究通過以鋯化合物（或和硅化合物）為主要成分，在反應(yīng)體系中加入多級孔模板劑，經(jīng)過水熱晶化獲得多級孔固相載體，負(fù)載硫酸（磺化）或其他酸性組分，經(jīng)鈍化后獲得具有多級孔結(jié)構(gòu)的、高比表面積的固體（超強(qiáng)）酸新型催化劑，催化含高游離酸的地溝油等廢油脂，同時(shí)進(jìn)行酯化和酯交換反應(yīng)，采用一步法連續(xù)反應(yīng)的催化轉(zhuǎn)化工藝來生產(chǎn)生物柴油，將產(chǎn)品生物柴油應(yīng)用到煤泥浮選工業(yè)。通過對反應(yīng)器和反應(yīng)體系的設(shè)計(jì)，分步分級內(nèi)循環(huán)和精餾分離，合理調(diào)節(jié)酯化和酯交換反應(yīng)速度，使反應(yīng)物充分反應(yīng)，極大地提高生物柴油的收率。將主要含脂肪酸甲酯的生物柴油作為捕收劑，副產(chǎn)物甘油通過催化氧化酯化等反應(yīng)得到含羥基、羧基、醚鍵等的低碳鏈有機(jī)物作為起泡劑應(yīng)用到煤泥浮選工業(yè)，其本身不含硫，降解速度快，優(yōu)于石化柴油和煤油，而且其純度要求不高，可以大幅度降低生產(chǎn)成本，具有很高的市場競爭優(yōu)勢。
獲獎(jiǎng)情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻(xiàn)
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同類課題研究水平概述
- 面對餐飲業(yè)產(chǎn)生的大量地溝油，世界各國目前沒有統(tǒng)一的處理方法，大都用來生產(chǎn)肥皂、肥料和油酸等。隨著近幾年對能源危機(jī)的關(guān)注，生物柴油的研究和生產(chǎn)越來越受到社會的關(guān)注，用地溝油來生產(chǎn)生物柴油是開發(fā)新能源的重要途徑之一。日本是最顯著的國家，每年有高達(dá)40萬t的地溝油用來生產(chǎn)生物柴油，大約有2800輛車燃用這些生物柴油。歐盟各國通常將地溝油作為飼料用油和生產(chǎn)生物柴油，主要應(yīng)用集中在城市公交、農(nóng)業(yè)及林業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。美國的廢油脂產(chǎn)量大約為100萬t/a，也在推廣生物柴油。目前，我國對地溝油的利用主要有兩個(gè)方面：（1）生產(chǎn)有機(jī)肥料、肥皂、化妝品等。（2）生產(chǎn)生物柴油。 制生物柴油的堿催化酯交換法由于反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速度快及選擇性高，成為目前使用最廣泛的方法。缺點(diǎn)是對原料的要求比較高（游離脂肪酸含量＜0.5%），對高酸值的油脂，催化劑會與脂肪酸發(fā)生皂化反應(yīng)從而損耗催化劑，不適宜用堿催化酯交換反應(yīng)。由于地溝油內(nèi)成分復(fù)雜，大部分酸值比較高（3%～40%），所以關(guān)于地溝油制生物柴油的報(bào)道以酸催化為主。多相固體催化劑活性穩(wěn)定、易于分離，重復(fù)利用率高，與對應(yīng)的均相催化劑相比，具有重要的工業(yè)化價(jià)值。Y.M. Park等利用SO42-/ZrO2、SO42-/Al2O3、WO3/ZrO2等作催化劑，醇油比19.4，反應(yīng)時(shí)間1h，反應(yīng)溫度75℃，得到的生物柴油產(chǎn)率為70%。S. Furuta等使用WO3/ZrO2、鋯鋁和磺化氧化錫作催化劑，醇油比40:1，反應(yīng)時(shí)間20h，反應(yīng)溫度200～300℃的條件下，生物柴油的轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%?？梢?，在以ZrO2為載體的超強(qiáng)酸催化劑體現(xiàn)了良好的催化活性。最近，Baig等報(bào)道了一種基于負(fù)載雜多酸催化劑的固體酸催化劑，采用一步法催化工藝，使含25%的棕櫚酸的大豆油與甲醇反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油，酯化反應(yīng)與酯交換反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，棕櫚酸的轉(zhuǎn)化率為95%，而脂肪酸甘油酯的轉(zhuǎn)化率為99%。由此可見，采用一步法工藝和選擇合適的超強(qiáng)酸催化劑轉(zhuǎn)化含游離酸量高的廢棄油脂具有可行性。并且工藝步驟簡單，可使生產(chǎn)成本降低，適宜于工業(yè)化和應(yīng)用推廣。
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