高效催化微藻制备生物柴油的研究

发布时间：2020-10-31 19:16

　　 生物柴油具有环境污染小,可再生,安全性能高等优点,是一种重要的具有工业化生产前景的新型能源。对于生物柴油的制备,油脂的提取与催化剂的选择有着重要的作用。传统的制备过程,原料价格贵,提取成本高,限制了生物柴油的工业化生产。所以,找到价格便宜的原料和开发成本低廉的制备方法对生物柴油走向市场化具有非常重要的意义。由于微藻油脂含量高和产量大,因此在新一代制备生物柴油的研究中具有的潜在应用价值引起了研究者的广泛关注。固体酸催化剂是制备生物柴油常用的催化剂之一,相比于均相酸催化剂,它具有易分离、腐蚀小、可重复利用等优点,和碱催化剂比又排除了对反应物酸值的要求,适用性更广,但是目前的固体酸催化剂活性不高,需要较高的反应温度。在研究制备催化活性更高的催化剂的过程中,我们发现以微藻为原料,一步合成生物柴油是众多合成方法中最有发展前景的工艺路线。因此本文的工作就分为了以下几部分:首先,测定了微藻的油脂含量(占干重的18.3%),油脂含量理想,可以作为制备生物柴油的原料。其次,本文通过骨架法制备了磺酸碳纳米片和纳米片状SO_4~(2-)/ZrO_2固体酸两种固体酸催化剂。探究了不同磺化条件、煅烧时间对所得催化剂催化活性的影响,发现:1)以硼酸和明胶制备的碳纳米片,经磺化煅烧(温度为500oC,时间为1h)后可得酸量为6.0 mmol·g~(-1)的磺酸碳纳米片,将其用于催化大豆油制备生物柴油,可获得48.1%的产率;2)以Zr(NO_3)_4·5H_2O为前驱体,葡萄糖和尿素为模板,磺化后经煅烧(700oC,3 h)可得pH在-2~+3之间的酸量为0.054的纳米片状SO_4~(2-)/ZrO_2固体酸,将其用于催化大豆油制备生物柴油,可获得40.3%的产率。基于此,总结磺酸量对催化活性的影响为:1)磺酸碳纳米片为催化剂时,酸量与生物柴油的产率呈现正相关性,酸量越高催化活性越好;2)SO_4~(2-)/ZrO_2固体酸为催化剂时,经300~700oC煅烧3 h的催化剂酸量相同,但是生物柴油的产率不同,纳米片层结构更好的催化剂具有更好的催化活性;3)磺酸碳纳米片含有两种酸性官能团(-SO_3H和-OH),其中-SO_3H占主要部分。此外,还考察了反应条件对催化剂催化活性的影响,磺酸碳纳米片最优的反应温度为90oC,醇油摩尔比为12:1;SO_4~(2-)/ZrO_2固体酸最优的反应温度为120oC,醇油摩尔比为12:1。同时将活性较优的磺酸碳纳米片和SO_4~(2-)/ZrO_2固体酸与均相酸催化剂H_2SO_4作比较,在催化剂质量相同时,磺酸碳纳米片的催化活性接近于硫酸的催化活性,而SO_4~(2-)/ZrO_2固体酸的催化稳定性较好。尝试微波辅助酯交换反应,将700oC煅烧制得的SO_4~(2-)/ZrO_2固体酸用于微藻制备生物柴油,在微波辐射条件下反应40 min,产率为21.5%。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TE667
【文章目录】：
摘要
ABSTRAST
第一章 文献综述
    1.1 引言
    1.2 微藻制备生物柴油的研究现状
    1.3 藻种筛选
    1.4 微藻培养和采收
    1.5 微藻的破壁提油
    1.6 微藻油脂的转化
        1.6.1 酸催化法
        1.6.2 碱催化法
        1.6.3 酶催化法
        1.6.4 超临界甲醇法
    1.7 立题依据和研究思路
        1.7.1 立题依据及意义
        1.7.2 研究思路和内容
第二章 实验方法
    2.1 实验仪器及试剂
    2.2 催化剂的制备
    2.3 催化剂的表征
        2.3.1 傅里叶红外光谱（FT-IR）
2物理吸附实验（BET）'>        2.3.2 N₂物理吸附实验（BET）
        2.3.3 X射线衍射分析（XRD）
        2.3.4 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）
    2.4 催化剂的活性评价
    2.5 产物的分析与计算方法
        2.5.1 色谱条件
        2.5.2 外标曲线的绘制（外标法）
        2.5.3 微藻油脂含量的测定
        2.5.4 计算方法
        2.5.5 实验结果
第三章 磺酸碳纳米片的研究
    3.1 前言
    3.2 反应机理的探讨
    3.3 磺酸碳纳米片的合成
    3.4 催化剂酸量的测定
    3.5 结果与讨论
        3.5.1 催化剂制备机理探讨
        3.5.2 催化剂的FT-IR表征结果与讨论
        3.5.3 催化剂的SEM表征结果与讨论
        3.5.4 催化剂的BET表征结果与讨论
        3.5.5 催化剂制备条件对酸量和催化活性的影响
        3.5.6 反应条件对催化活性的影响
        3.5.7 催化剂稳定性的考察
    3.6 本章小结
4
2-/ZrO₂固体酸的研究'>第四章 纳米片状SO4
2-/ZrO₂固体酸的研究
    4.1 前言
4
2-/ZrO₂固体酸的合成'>    4.2 SO_{4
2-/ZrO2固体酸的合成
    4.3 催化剂酸量的测定
    4.4 结果与讨论
        4.4.1 催化剂制备机理探讨
        4.4.2 催化剂的FT-IR表征结果与讨论
        4.4.3 催化剂的SEM表征结果与讨论
        4.4.4 催化剂的BET表征结果与讨论
        4.4.5 催化剂的XRD表征结果与讨论
        4.4.6 催化剂制备条件对酸量和催化活性的影响
        4.4.7 反应条件对催化活性的影响
        4.4.8 催化剂稳定性的考察
2}SO₄催化活性比较'>        4.4.9 与H₂SO₄催化活性比较
        4.4.10 催化剂在微藻制备生物柴油中的应用
    4.5 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
附录
    1.作者简介
    2.撰写的文章目录
致谢

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本文编号：2864387

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