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生物柴油管式反应器固体酸催化剂的研制

作　者: 任娜
导　师: 阮榕生
学　校: 南昌大学
专　业: 食品科学
关键词: 固体超强酸催化剂光皮树油生物柴油生物柴油管式反应器
分类号: TE667
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

当前,随着一次性能源可能面临的枯竭,以及日益突出的环境问题,资源的优化合理利用和社会的可持续发展成为世界各国家面临的一大挑战。近年来,生物柴油作为一种可再生绿色能源成为能源化工领域的一大亮点,为解决即将枯竭的能源问题提供了一种可能。随着现代工业的发展,催化剂的催化作用几乎遍及了化学反应的各个领域,而催化剂的制备又是催化作用的主体,被称为现代化学工业的基石。均相催化剂(液体酸碱催化剂)是当前生物柴油生产工业的主要催化剂,但是均相催化剂本身具有的腐蚀性,反应结束后不利于产物的分离,以及容易造成环境污染等缺点,使得非均相催化剂(固体催化剂)的研究越来越广泛。研究表明固体催化剂中的固体酸催化剂具有不易失活,对原料油的要求低,能够催化高酸值和含水量较高的原料油一步法制备生物柴油等优点,因而具有非常广阔的应用前景。本文制备了固体超强酸催化剂S2082-/ZrO2-SiO2,采用FT-IR, XRD, SEM, TG-DTA对催化剂进行表征。研究了原料油(光皮树油)经过生物柴油管式反应器制备生物柴油的工艺,结合实际优化工艺条件,并利用GC-MS分析脂肪酸甲酯的含量以及组成成分。检测生物柴油的理化性能。试验结果表明：1、n(Zr):n(Si),陈化温度,陈化时间,浸渍液(NH4)2S2O8的浓度,浸渍时间,焙烧温度,焙烧时间对催化剂的制备均有影响。其中焙烧温度,焙烧时间,浸渍时间为显著性影响因素。2、对催化剂制备过程中的显著性因素进行回归拟合,得到模型拟合程度良好,可信度高的回归方程：Y=96.92-1.48*A-0.93*B-1.43*C+0.180*A*B-0.81*A*C-0.47*B*C-1.63*A2-2.26*B2-0.29*C2(A：焙烧时间,B：浸渍时间,C：焙烧温度),可用该回归方程代替实验真实点对试验结果进行分析。3、根据试验最终确定了固体超强酸S2O82-/ZrO2-SiO2制备过程中的工艺参数为：陈化温度：40℃,陈化时间：12 h,n(Zr)：n(Si)=1.5：1,n((NH4)2S208)=1.0 mol/L,浸渍时间：13h,焙烧温度：500℃,焙烧时间：4.4 h,在此优化条件下制备催化剂,并将其用于催化高酸值光皮树油与甲醇的酯化反应,酯化率达到97.0%。4、通过FT-IR, XRD, SEM等对催化剂进行表征,表明催化剂有大量的酸性基团,具有超强酸性,高的比表面积,巨大的间隙层次以及较高的热稳定性,保证催化剂具有稳定高效的催化活性。5、将催化剂应用于生物柴油管式反应器生物柴油的生产中,结合实际优化生物柴油的生产工艺,得到最佳生产工艺：反应温度为220℃,反应压力为6 MPa,醇与光皮树油的进样量比(体积比)为3：1,此时所的生物柴油中总的脂肪酸甲酯相对含量为95.7%。6、对光皮树油制备的生物柴油进行理化性质的检测,结果表明生物柴油各指标均符合国家标准GB/T20228-2004,完全可替代石化柴油。7、生物柴油制备过程中反应温度对生物柴油抗氧化安定性有影响,随着反应温度升高生物柴油氧化安定性降低。总而言之,本文制备了具有超强酸性的固体催化剂S2O82-/ZrO2-SiO2,并将其应用到生物柴油管式反应器中,为生物柴油的绿色化发展提供了参考依据,对促进其发展具有积极意义。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第1章引言  12-31
  1.1 概述  12-13
  1.2 国内外生物柴油发展现状  13-14
    1.2.1 欧盟  13
    1.2.2 美国  13-14
    1.2.3 阿根廷  14
    1.2.4 国内  14
  1.3 制备生物柴油的原料  14-18
    1.3.1 植物油料  15-16
    1.3.2 动物脂肪  16-17
    1.3.3 餐厨废油  17
    1.3.4 微藻  17-18
  1.4 生物柴油生产方法  18-20
    1.4.1 物理法制备生物柴油  18
    1.4.2 化学法制备生物柴油  18-20
  1.5 化学催化法选用催化剂  20-29
    1.5.1 均相酸催化剂  20-21
    1.5.2 均相碱催化剂  21-22
    1.5.3 非均相碱催化剂  22-25
    1.5.4 非均相酸催化剂  25-29
  1.6 生物柴油反应器  29-30
  1.7 课题研究目的和主要研究内容  30-31
第2章固体超强酸催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2制备试验  31-47
  2.1 引言  31
  2.2 材料和仪器  31-32
    2.2.1 材料  31-32
    2.2.2 主要仪器  32
  2.3 试验方法  32-34
    2.3.1 光皮树油成分分析  32
    2.3.2 催化剂的制备  32-33
    2.3.3 制备生物柴油试验  33-34
  2.4 结果与讨论  34-46
    2.4.1 光皮树油成分分析  34
    2.4.2 制备条件对催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2催化活性的影响  34-39
    2.4.3 Plackett-Burman设计及试验结果分析  39-41
    2.4.4 Box-Behnken试验设计及结果分析  41-44
    2.4.5 各因素间的交互作用  44-45
    2.4.6 响应因子水平优化  45-46
  2.5 本章小结  46-47
第3章固体超强酸催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的表征  47-58
  3.1 引言  47
  3.2 试验仪器  47
  3.3 试验方法  47-49
    3.3.1 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2酸强度的测定  47-48
    3.3.2 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的傅里叶变换红外分析(FT-IR)  48
    3.3.3 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的X射线衍射分析(XRD)  48
    3.3.4 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的热重—差热分析(TG-DTA)  48
    3.3.5 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的电子扫描电镜分析(SEM)  48-49
  3.4 结果与分析  49-56
    3.4.1 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的酸强度  49
    3.4.2 催化剂的傅里叶变换红外分析(FT-IR)  49-54
    3.4.3 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的热重—差热分析(TG-DTA)  54-55
    3.4.4 催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2的X射线衍射分析(XRD)  55
    3.4.5 催化剂的电镜分析(SEM)  55-56
  3.5 本章小结  56-58
第4章固体超强酸催化剂S_2O_8~(2-)/ZrO_2-SiO_2催化光皮树油制备生物柴油  58-69
  4.1 引言  58-59
  4.2 试验材料与仪器  59
    4.2.1 试验原料  59
    4.2.2 试验仪器  59
  4.3 试验方法  59-60
    4.3.1 生物柴油的制备  59
    4.3.2 分析方法  59-60
  4.4 结果与讨论  60-68
    4.4.1 生物柴油制备条件对FAME相对含量的影响  60-65
    4.4.2 生物柴油管式反应器工艺的正交试验  65-67
    4.4.3 催化剂的在生物柴油管式反应系统重复利用性  67-68
  4.5 本章小结  68-69
第5章生物柴油理化性质分析  69-74
  5.1 引言  69-70
  5.2 试验材料与仪器  70
    5.2.1 试验材料  70
    5.2.2 主要的试验仪器  70
  5.3 生物柴油检测方法  70-71
  5.4 结果与分析  71-73
    5.4.1 生物柴油的理化指标  71-72
    5.4.2 生物柴油的气质联用分析  72-73
  5.5 本章小结  73-74
第6章反应温度对光皮树生物柴油抗氧化安定性的影响  74-79
  6.1 引言  74
  6.2 试验材料与设备  74-75
    6.2.2 试验材料  74
    6.2.3 主要试验设备  74-75
  6.3 试验方法  75-76
    6.3.1 催化剂的制备  75
    6.3.2 分析方法  75
    6.3.3 生物柴油的制备  75-76
  6.4 结果与分析  76-78
    6.4.1 原料油组成  76
    6.4.2 生物柴油的抗氧化性  76-78
  6.5 结论  78-79
第7章结论  79-81
致谢  81-82
参考文献  82-90
攻读学位期间的研究成果  90

生物柴油管式反应器固体酸催化剂的研制

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