氧化鈣催化菜籽油酯交換制備生物柴油

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1、氧化鈣催化菜籽油酯交換制備生物柴油摘要以菜籽油和甲醇為原料,在固體堿催化劑的作用下,通過酯交換反應(yīng)制得生物柴油(脂肪酸甲酯)。以氧化鈣為催化劑,通過正交試驗得到該反應(yīng)的最佳工藝條件:溫度60度,催化劑用量為菜籽油質(zhì)量的1%,醇油比為10：1(物質(zhì)的量比),反應(yīng)時間3h,甘油收率達80.8%。正交試驗由文獻和預(yù)試驗可知,影響堿催化酯交換反應(yīng)的因素主要有溫度、催化劑用量、醇油比和反應(yīng)時間。為了尋找氧化鈣催化酯交換反應(yīng)的最佳工藝條件,本試驗設(shè)計了三水平四因素正交試驗。各因素和水平分別為:溫度(A):60、65、70℃;催化劑用量(B)(與原料油的質(zhì)量比,下同):1%、1.5%、2%;醇油比(C物質(zhì)的

2、量比,下同):6:1、8:1、10:1;反應(yīng)時間(D):2.5、3、3.5h。試驗結(jié)果見表1從表1中可以看出,各影響因素對酯交換反應(yīng)的影響大小依次是:C>B>D>A,其中醇油比對反應(yīng)的影響最大,溫度和反應(yīng)時間的影響相當(dāng)。如果單純從甘油收率來考察,最優(yōu)反應(yīng)條件組合是A3B1C3D1;但是從表中我們還可以看出,在60℃反應(yīng)時,效果和70℃時反應(yīng)差不多,我們可以適當(dāng)延長反應(yīng)時間來彌補這個差異,達到相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化率。綜合,選定最佳反應(yīng)條件:A1B1C3D2。關(guān)鍵詞生物柴油;環(huán)境友好;固體堿催化劑;氧化鈣;酯交換反應(yīng)。前言生物柴油是一種可再生的清潔能源,有“再生燃油”之稱,其主要成分是以動物油、植物油、煎炸

3、廢油等為原料與甲醇進行酯交換反應(yīng)獲得的脂肪酸甲酯。使用生物柴油與使用石化燃料相比,具有以下優(yōu)點:優(yōu)良的環(huán)保特性,較好的潤滑性能,較好的安全性能,具有良好的燃燒性能,可再生性能好。使用生物柴油的柴油機系統(tǒng)基本不需改動,可與石化柴油任意比混合。生物柴油的制備方法主要有物理處理法、化學(xué)反應(yīng)法和生物合成法。物理處理法有直接混合法、微乳液法;化學(xué)反應(yīng)法可分為高溫裂解法、酯化法和酯交換法;生物合成法主要指酶催化法。常用的均相催化劑可以是強酸(如硫酸)或強堿(如NaOH、KOH、甲醇鈉)等,使用強酸催化,雖然轉(zhuǎn)化率較高,但反應(yīng)緩慢,且產(chǎn)生三廢;使用強堿催化,反應(yīng)迅速,但催化劑分離困難,容易產(chǎn)生副反應(yīng)。非均相

4、法使用的催化劑主要是固體超強酸和固體超強堿。已報道的固體超強酸有WO3/ZrO2、TiO2-SO42-、ZrO2-SO42-等[1-3]。固體超強堿主要是堿金屬、堿土金屬氧化物、水滑石、類水滑石固體堿、負(fù)載型固體堿等。使用非均相催化劑不僅可以克服均相酸堿催化的缺陷,而且催化劑分離簡單,反應(yīng)條件溫和,催化劑可重復(fù)使用,環(huán)保無污染,成為當(dāng)前研究的熱點[4]。孟鑫等[5]以KF/CaO做催化劑,研究了大豆油的酯交換反應(yīng),取得了較好的效果;姜利寒等[6]將負(fù)載型固體堿CaO/SiO2、CaO/Al2O3、CaO/MgO用于生物柴油的制備。本文擬利用氧化鈣為催化劑催化菜籽油酯交換反應(yīng)制備生物柴油,通過正

5、交試驗探討反應(yīng)的最優(yōu)條件。菜籽油的成分菜籽油的主要成分是各種脂肪酸的甘油三酸脂，此外還有磷脂、蛋白質(zhì)、糖類、水分等。醇油比對反應(yīng)的影響按照酯交換反應(yīng)的化學(xué)計量式,1mol油完全反應(yīng)需要3mol甲醇。菜籽油的酯交換反應(yīng)是可逆反應(yīng),從化學(xué)平衡理論可知,加大反應(yīng)物的配比有助于平衡向生成脂肪酸甲酯的方向移動。在實際應(yīng)用中,常采用加大較廉價易得的甲醇用量來提高原料油的轉(zhuǎn)化率。但是,隨著甲醇用量的加大,必然同時加大甲醇回收的耗費。催化劑制備的影響合適的催化劑不僅要求加速反應(yīng),還應(yīng)該制備簡單,使用方便;但是,通常我們使用的催化劑往往要求嚴(yán)格的條件。本試驗中,我們考察了不同來源的氧化鈣的催化效果,發(fā)現(xiàn)不論是試

6、劑氧化鈣、硝酸鈣高溫分解所得的氧化鈣,還是高溫活化過的試劑氧化鈣,都具有較好的催化效果。由此可見,氧化鈣是一種比較理想的催化劑,我們選定高溫活化過的試劑氧化鈣作為本試驗的催化劑。催化劑用量的影響由上頁表1可以看出,催化劑的用量并非愈多愈好。當(dāng)催化劑用量為原料油質(zhì)量的1%時,菜籽油轉(zhuǎn)化率較高,此時若再增加催化劑用量,菜籽油的轉(zhuǎn)化率不僅沒有升高,反而有所降低。這是因為過量的催化劑沒有起到催化效果,卻引起皂化反應(yīng),降低了菜籽油的轉(zhuǎn)化率給產(chǎn)品的分離帶來困難。反應(yīng)溫度的影響對于多數(shù)化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增大,酯交換反應(yīng)也屬于這一類反應(yīng)。對于固體超強堿催化的植物油酯交換反應(yīng),反應(yīng)溫度通常在60

7、~70℃,略高于使用均相強堿催化劑時的溫度。本試驗中,70℃時的原料油轉(zhuǎn)化率和60!時相比差別較小,如果選定70℃為最佳反應(yīng)溫度,此時溫度高于甲醇的沸點(64.5℃),甲醇的回流量必然增加,這就需要較高的醇油比來維持反應(yīng)體系內(nèi)的甲醇濃度,所以,最佳溫度時選擇60℃,不但可以降低能耗,且可降低醇油比。反應(yīng)時間的影響酯交換反應(yīng)的時間隨催化劑不同差異很大。使用強堿均相催化,一般1h以內(nèi)即可達到很高的轉(zhuǎn)化