碳基固体酸催化剂的制备及其应用研究

论文摘要

生物柴油是一种新型绿色能源,生产原料主要是来自于动植物油脂和回收的废油脂。因其具有含硫量低、对环境污染较小、可再生等优势而备受关注。利用餐饮废油为原料是我国生产生物柴油的优势,我国每年产生大量餐饮废油,如果以其作为原料生产生物柴油,一定能够产生很好的经济效益。目前,在我国生产生物柴油主要以酯交换反应法为主。餐饮废油的酸值较高,酯交换法制备生物柴油需要原料油的酸值必须小于1,因此需降酸处理。降酸过程在酯化反应中进行,一般采用强酸（硫酸）作为催化剂,但对设备有腐蚀,并会产生大量的废水,而且催化剂不能回收。碳基固体酸催化剂是一种新型固体酸催化剂,使用此种催化剂可以避免酸腐蚀及产生大量废水等不利环境的因素,还能够显著的降低生产成本。本文首先对新型碳基固体酸催化剂的制备进行了探索式的研究,以生物质块状竹料（杆径为0.3～0.5cm）合成了碳基固体酸催化剂。采用扫描电镜（SEM）、红外光谱（FT-IR）对催化剂进行了表征。利用油酸模拟高酸值生物柴油原料进行气相酯化降酸应用研究,并考察了碳化温度、磺化时间、磺化温度对催化活性的影响。酯化反应温度92℃,反应时间3h,催化剂用量为油酸质量的6%,甲醇蒸气为75℃。实验结果表明：以碳化温度在210℃,磺化时间7h,磺化温度70℃时所制备的碳基固体酸催化剂参与气相酯化反应,反应结束后测得油酸的转化率为86.93%。催化剂在重复使用4次,转化率仍能达到60%以上。试验还对催化剂再生利用进行了试验研究,实验结果催化剂的活性基本得到恢复。在此基础上以新方法制备出磁性碳基固体酸催化剂。此种催化剂带有磁性,在制备生物柴油的过程中如在反应器皿以外添加磁场,可以影响催化剂在反应器内的分布及反应后的回收。对制备的磁性催化材料采用扫描电镜（SEM）、红外光谱（FT-IR）、X-射线衍射（XRD）进行了表征,并考察了催化剂制备条件中磺化温度及时间、磺化酸量对反应转化率的影响。实验选用温度为500℃,活性炭与三氧化二铁质量比1：3混合,高温加热8h,得到的磁性材料经磺化温度70℃,磺化时间6h,磺化酸量7ml制成的磁性碳基固体酸催化剂参与生物柴油气相酯化降酸试验；酯化反应温度95℃,反应时间为3h,催化剂用量定为油酸质量的6%,甲醇蒸气75℃。反应后油酸转化率为85.82%。催化剂回收率为96.37%,且回收方法简单。催化剂重复使用4次后,反应中油酸的转化率仍能达到55%以上。磁性碳基固体酸催化剂具有较好稳定性及催化活性。在生物柴油生产中,应用碳基固体酸催化剂催化高酸值生物柴油原料降酸过程,具有很好的应用前景和经济价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 前言
• 1.1 国内外生物柴油的研究现状
• 1.1.1 国外生物柴油的研究现状
• 1.1.2 国内生物柴油的研究现状
• 1.2 生物柴油制备方法
• 1.2.1 均相催化法
• 1.2.2 非均相催化法
• 1.2.3 超声波辐射法
• 1.2.4 生物酶法
• 1.2.5 超临界法
• 1.3 固体酸催化剂在生物柴油生产中的应用
• 1.4 碳基固体酸催化剂的研究进展
• 1.4.1 碳基固体酸催化剂的应用
• 1.4.2 新型碳基固体酸催化剂
• 1.4.3 催化剂的表征
• 1.5 课题的研究目的及方案
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 实验设计方案
• 第二章 生物质碳基固体酸催化剂的制备及应用研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 实验试剂及原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 试验方法
• 2.1.4 试验设计
• 2.1.5 分析方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 生物质碳基固体酸催化剂的制备
• 2.2.2 生物质碳基固体酸催化剂的表征
• 2.2.3 催化剂的制备条件对催化活性的影响
• 2.2.4 生物质碳基固体酸催化剂的应用
• 2.3 结论
• 第三章 磁性碳基固体酸催化剂的制备及应用研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 原料及试剂
• 3.1.2 实验仪器和设备
• 3.1.3 试验方法
• 3.1.4 试验设计
• 3.1.5 分析方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 磁性碳基固体酸催化剂的制备
• 3.2.2 磁性碳基固体酸催化剂的表征
• 3.2.3 材料的磁化率
• 3.2.4 磁性碳基固体酸催化剂的表面酸量
• 3.2.5 磁性固体酸催化剂制备条件对催化活性的影响
• 3.2.6 磁性碳基固体酸催化剂的应用
• 3.3 结论
• 第四章 结论与建议
• 4.1 结论
• 4.1.1 生物质碳基固体酸催化剂的制备及应用结论
• 4.1.2 磁性碳基固体酸催化剂的制备及应用结论
• 4.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B