基本信息
- 项目名称：
- NaF/Al2O3催化餐饮废油制备生物柴油的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 生物柴油是以动、植物油脂为原料，与甲醇等低级醇发生酯交换反应而制得的产物，是一种环境友好的可再生能源。本文综述了国内外生物柴油的研究状况及制备方法，并实验探讨NaF/Al2O3催化餐饮废油与甲醇的酯化反应，利用正交实验、单因素实验讨论醇油比、催化剂用量、反应温度、反应时间等因素对生物柴油产率的影响。实验结果表明制备生物柴油的最佳工艺条件为：醇/油摩尔比为9:1、催化剂用量2%（质量分数）、反应温度62℃、反应时间90 分钟。在最佳工艺条件下产率可达90%以上。
- 详细介绍：
- 生物柴油是指由植物油、动物油酯与甲醇等低级醇经酯交换产生的脂肪酸甲酯，其主要成分是硬脂酸甲酯、软脂酸甲酯、亚油酸甲酯、亚麻酸甲酯,是一种环境友好的可再生能源。现行的生物柴油制备方法有：直接混合法，微乳液法，高温裂解法，酯交换反应法等。在柴油的制备方法中，酯交换法是研究最多的，按催化剂的不同，可分为酸催化酯交换法、碱催化酯交换法、酶催化酯交换法等。其中固体碱催化剂用于制备生物柴油有皂化程度小、产品不需要水洗,过程不产生废酸、碱液，环境污染小等优点。 实验旨在通过制备高比表面、高催化活性的负载型固体纳米碱NaF/Al2O3，并通过对NaF/Al2O3催化餐饮废油与甲醇进行酯交换反应的研究，考察催化剂用量、醇油比、反应温度、反应时间等对生物柴油产率的影响，找到制备生物柴油的最佳工艺条件。 实验首先将一定量的Al2O3粉末干燥备用。按一定量的NaF质量分数Al2O3混合。加入适量的蒸馏水，充分搅拌混匀，干燥。固体样品经过一定的程序升温焙烧，得到一定量的固体粉末催化剂。 然后将餐饮废油和一定量的甲醇加入三口烧瓶，在不断搅拌下加入一定量的NaF/Al2O3催化剂，加热并恒温至所设温度，回流一定时间，停止反应，离心分离出催化剂，再常压蒸馏出过量的甲醇，将残留物静置分层得到粗生物柴油。 为了探求酯交换反应的最佳反应条件，实验采用正交实验和单因素实验方法，对餐饮废油酯交换反应的条件进行优化。从正交实验结果可以得出：在所选的影响因素各水平下，酯交换反应都能够很好地进行,静置后混合液都有明显的分层。本实验的甲酯得率在84.76%~93.88%之间,说明酯交换在适合的反应条件下反应基本完全,餐饮废油中的主要成分甘油三酸酯经酯交换反应基本上完全转化为脂肪酸甲酯。餐饮废油甲酯化反应的影响因素由大到小依次为:催化剂用量、醇油摩尔比、反应温度、反应时间。单因素实验结果表明：醇油摩尔比为9:1、催化剂用量2%（质量分数）、反应温度62℃、反应时间90分钟为反应最佳条件，在此反应条件下转化率可达93.88%。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过对NaF/Al2O3催化餐饮废油与甲醇酯交换反应的研究，考察催化剂用量、醇油比、反应温度、反应时间等因素对生物柴油产率的影响，找到制备生物柴油的最佳工艺条件。
科学性、先进性及独特之处
- 固体碱催化剂用于制备生物柴油的优点是皂化程度小、产品基本不需要水洗,不产生废酸、碱液，环境污染小；但普遍存在的问题是催化效率低、反应速率慢。本课题NaF/Al2O3为催化剂制备生物柴油,该催化剂具有高比表面、高催化活性,因此用量较少,催化效率高,没有环境污染。国内文献中末见其相关报道。
应用价值和现实意义
- 一是能源安全的战略意义，生物柴油可以减少对石油的依靠；二是环保意义，与普通柴油相比，生物柴油不含硫、芳香族化合物，因而燃烧时有毒物质的排放大大降低；三是餐饮废油可得到很好的处理和利用，避免重新流入餐馆。
学术论文摘要
- 生物柴油是以动、植物油脂为原料，与甲醇等低级醇发生酯交换反应而制得的产物，是一种环境友好的可再生能源。本文综述了国内外生物柴油的研究状况及制备方法，并实验探讨NaF/Al2O3催化餐饮废油与甲醇的酯化反应，利用正交实验、单因素实验讨论醇油比、催化剂用量、反应温度、反应时间等因素对生物柴油产率的影响。实验结果表明制备生物柴油的最佳工艺条件为：醇/油摩尔比为9:1、催化剂用量2%（质量分数）、反应温度62℃、反应时间90 分钟。在最佳工艺条件下产率可达90%以上。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 本项研究成功地开发出转化过程的新型催化剂NaF/Al2O3和转化过程的最佳工艺条件。该催化剂有高比表面、高催化活性等特点，催化反应过程中用量少，催化效率高，无污染，领先国内，有较强的应用性和市场前景。
参考文献
- 参考文献: [1] 闵恩泽,唐忠等.发展我国生物柴油产业的探讨[J].中国工程科学,2005,7(4):124 [2]苏畅,赵崇峰等.生物柴油技术的进展[J].当代化工,2004,33(2):79-81 [3]宋玉春.中国生物柴油亟待产业化[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
同类课题研究水平概述
- 生物柴油的制备可分为酸催化法、碱催化法、生物催化法、超临界法等。 (1)酸催化法 酸催化法分又分为液体酸催化法与固体酸催化法。较常用的催化剂有浓硫酸、磷酸等,酸催化酯交换适用于脂肪酸和水含量高的油脂制备生物柴油,产率较高,但反应速率慢,酸耗大,分离难,且设备易腐蚀,易产生三废。而固体酸大致分为固体超强酸、分子筛和杂多酸,用固体酸作催化剂,副反应少,易于反应分离,操作条件易于控制,无污染;但同时也有反应存在传质问题、反应速率比液体酸更慢、催化剂容易失活等不足。 (2)碱催化法 碱催化法也可分为液体碱催化法与固体碱催化法。液体碱催化法在国外已被广泛应用,该法可在低温下获得较高产率,反应速率快,但它对原料中游离脂肪酸和水的含量却有较高要求。因在反应过程中,游离脂肪酸会与碱发生皂化反应产生乳化现象,而所含水分则能引起酯水解,进而发生皂化反应,同时它也能减弱催化剂活性。另一方面，为了消除液体碱催化法存在废液多、副反应多和乳化现象严重等问题,固体碱催化剂研究与应用不断深入，该类催化剂主要包括金属盐类、金属氧化物及其负载型催化剂、强碱阴离子交换树脂、水滑石类阴离子型层状材料催化剂和沸石催化剂等。 (3)生物催化法 酶催化制备生物柴油具有条件温和、醇用量小、产品易于收集、无污染排放等优点。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。用脂肪酶为催化剂制备生物柴油只需加入理论量甲醇就可使反应顺利进行。但当反应体系中甲醇达到一定量时,脂肪酶就会失去活性,且反应产生甘油也很容易堵塞固定脂肪酶孔径,严重影响酶的反应活性。同时,由于酶价格高,反应时间太长,反应产率低,因此酶催化剂应用受到限制,尚不具备工业化条件。 (4)超临界法 超临界法是在甲醇处于超临界状态下进行的。该条件下,在很短时间内就可获得极高转化率,且该法可使生物柴油后处理过程大为简化。超临界酯交换过程中,酯交换反应速率快,产品的分离提纯简单和产率高,且该方法对油脂中的游离脂肪酸和水的含量无任何要求。该方法需要在高温高压下进行,导致很高的生产费用和能源消耗,目前还很难工业化。 综上所述，生物柴油的研究发展趋势是: ①油脂甲酯化转化技术由间歇式生产转向常压连续化生产; ②寻找高效率的固体催化剂用于转化油脂; ③开发固体碱催化酯交换工艺、酶催化酯交换工艺等新工艺,最大限度的优化工艺过程,降低生产成本。
