磁性催化剂的制备及其在生物柴油制备中的应用研究

发布时间：2017-09-12 17:10

  本文关键词：磁性催化剂的制备及其在生物柴油制备中的应用研究

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【摘要】：世界经济的发展加剧了石化能源的开发和利用力度,并且传统石化资源的使用所带来的环保问题日益凸显,寻找新型的可替代能源越发受到关注。其中,生物柴油来自于可再生的生物资源,具有可再生性、环保性及可生物降解性等优点,被认为是一种绿色环保的可再生替代能源。我国人多地少的基本国情决定了我们制备生物柴油应使用非食用油料;另外,在生物柴油的制备方法中,磁性异相酸、碱催化剂不仅具有良好的催化活性,并且能够磁性易分离重复使用。基于此,本研究一方面开展非粮油料的筛选及其燃油性能检测等方面的相关工作,另一方面,制备了磁性固体酸、碱催化剂催化制备生物柴油,取得结果如下:(1)筛选出梧桐和黄山栾两种非粮油料作为生物柴油原料,研究中首先对两种油料进行了脂肪酸组成等理化性质的测定,结果发现黄山栾种子含油率高达38.77%,梧桐的种仁含油率为36.47%,且梧桐原油酸值低(1.19 mg KOH/g),可以直接进行酯交换反应(无需预酯化步骤),大大简化了生物柴油的制备工艺。进一步研究发现,两种生物柴油的燃油性能均达到了相关标准的指标,十六烷基值和氧化安定性则优于标准,但是两种油料所制备的生物柴油在冷滤点方面表现欠佳。综合比较发现,梧桐是一种具有较好开发前景的生物柴油非粮原料。(2)通过溶胶-凝胶法制备了Fe_3O_4@SiO_2核壳磁性载体,并进一步用氯磺酸进行磺化,得到磁性固体酸催化剂Fe_3O_4@SiO_2-SO_3H,对催化剂通过XRD、TEM、FT-IR等技术进行了相关表征,其活性通过催化油酸与甲醇的酯化反应制备生物柴油进行了相关探讨。结果表明,通过正交实验得到最佳酯化反应条件为:醇油摩尔比20:1、催化剂用量4 wt.%、反应温度120 oC、反应时间5 h,实验测得油酸的最高转化率为98.3%,并且催化剂表现出良好的重复使用性(第7次转化率为88.8%),表明催化剂具有良好的稳定性和重复使用性。(3)经过降酸值工艺后的原料油往往采用催化效率更高的碱性固体催化剂进行酯交换反应制备生物柴油。本部分工作通过将碱性离子液体(Ionic Liquid,IL)与Fe_3O_4@SiO_2核壳磁性载体有机结合制备出磁性易分离的磁性固体碱催化剂,通过FT-IR、元素分析等技术进行了相关表征,用于催化精制黄山栾原油(AV=1.2mg KOH/g)与甲醇的酯交换反应制备生物柴油,通过单因素优化法探讨了酯交换反应的最佳反应条件为:醇油摩尔比30:1、催化剂用量8 wt.%、反应温度160 oC、反应时间8 h,甲酯含量最高为89.1%。同时对催化剂的重复使用性也进行了相关探究,在最佳反应条件下,催化剂重复使用第4次甲酯含量降为62.2%,表明催化剂具有一定的重复使用性。(4)基于上述实验工作,进一步的制备出酸性离子液体功能化Fe_3O_4@SiO_2核壳磁性固体酸催化剂,可以将高酸值油料需通过酸-碱两步法制备生物柴油工艺简化为“一锅法”同时催化酯化、酯交换反应来制备。通过后嫁接的方式制备出酸性IL和Fe_3O_4@SiO_2核壳磁性载体有机结合的磁性固体酸催化剂,对催化剂通过XRD、FT-IR、SEM、TEM、吡啶红外等技术进行了相关表征,表明催化剂同时具有Br?nsted和Lewis酸位点,用于催化粗黄山栾原油(AV=4.66 mg KOH/g)与甲醇“一锅法”反应制备生物柴油。通过正交实验探究出最佳反应条件为:醇油摩尔比40:1、催化剂用量10 wt.%、反应温度160 oC、反应时间10 h,甲酯含量最高为95.3%。通过热过滤实验验证了催化剂的异相催化行为,同时对催化剂的重复使用性也进行了相关探究,在最佳反应条件下,催化剂重复使用第5次甲酯含量降为78.7%,表明催化剂具有一定的重复使用性。
【关键词】：生物柴油 非粮油料 磁性固体催化剂 酯化反应 酯交换反应
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ426;TE667
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 缩略词(Abbreviations)11-12
• 第一章 文献综述12-30
• 1.1 生物柴油简介13-14
• 1.2 生物柴油的优点14-16
• 1.3 发展生物柴油的意义16-17
• 1.4 生物柴油研究现状17-23
• 1.4.1 用于制备生物柴油原料研究概况17-20
• 1.4.2 生物柴油的制备方法20-21
• 1.4.3 生物柴油的制备方法比较21-23
• 1.5 用于制备生物柴油的异相催化剂研究进展23-30
• 1.5.1 功能化离子液体23-24
• 1.5.2 磺酸基固体酸24-26
• 1.5.3 其他异相催化剂26-27
• 1.5.4 磁性固体催化剂27-30
• 第二章 论文设计思路30-35
• 2.1 论文的选题目的及意义30
• 2.2 论文的设计思路及路线30-35
• 2.2.1 论文整体研究方案(如图 2.1)30-31
• 2.2.2 非食用油料(梧桐、黄山栾)作为制备生物柴油的原料选择31-32
• 2.2.3 Fe_3O_4@SiO_2-SO_3H磁性固体酸催化剂的制备、表征及其生物柴油制备中的应用32-33
• 2.2.4 碱性离子液体功能化Fe_3O_4@SiO_2磁性固体碱催化剂的制备、表征及其生物柴油制备中的应用33-34
• 2.2.5 酸性离子液体功能化Fe_3O_4@SiO_2磁性固体酸催化剂的制备、表征及其活性探讨34-35
• 第三章 非食用油料(梧桐、黄山栾)作为制备生物柴油原料潜质评价35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 实验部分35-36
• 3.2.1 主要设备和仪器35
• 3.2.2 主要材料和试剂35-36
• 3.3 两种非粮油料植物的基本情况(见表 3.3)36-37
• 3.4 两种非粮油料植物的理化性质测定(见表 3.4)37-40
• 3.4.1 含油量的测定37
• 3.4.2 酸值的测定37-38
• 3.4.3 碘值的测定38-39
• 3.4.4 皂化值的测定39-40
• 3.5 梧桐、黄山栾生物柴油的制备40-41
• 3.6 梧桐和黄山栾种子油脂肪酸组成(表 3.5)41-42
• 3.7 两种非粮油料生物柴油的燃油性能测试(表 3.6)42-43
• 3.8 本章小结43-45
• 第四章 Fe_3O_4@SiO_2-SO_3H磁性固体酸催化剂的制备、表征及其生物柴油制备中的应用45-54
• 4.1 引言45
• 4.2 实验部分45-48
• 4.2.1 主要设备和仪器45-46
• 4.2.2 主要试剂46
• 4.2.3 催化剂的制备46-47
• 4.2.4 催化剂的表征技术47-48
• 4.2.5 Fe_3O_4@SiO_2-SO_3H催化酯化反应合成生物柴油48
• 4.3 催化剂的表征分析48-50
• 4.3.1 傅里叶红外光谱(FT-IR)表征48-49
• 4.3.2 X-射线粉末衍射(XRD)表征49
• 4.3.3 透射电子显微镜(TEM)表征49
• 4.3.4 催化剂宏观磁性效果表征49-50
• 4.3.5 催化剂的酸密度表征50
• 4.4 Fe_3O_4@SiO_2-SO_3H催化酯化反应条件优化50-51
• 4.5 催化剂的重复使用性考察51-52
• 4.6 Fe_3O_4@SiO_2-SO_3H与其他催化剂活性比较52
• 4.7 本章小结52-54
• 第五章 碱性离子液体功能化Fe_3O_4@SiO_2磁性固体碱催化剂的制备、表征及其生物柴油制备中的应用54-65
• 5.1 引言54
• 5.2 实验部分54-58
• 5.2.1 主要设备和仪器54-55
• 5.2.2 主要试剂55
• 5.2.3 催化剂的制备55-57
• 5.2.4 催化剂的表征技术57
• 5.2.5 碱性IL-Fe_3O_4@SiO_2催化酯交换反应合成生物柴油57
• 5.2.6 生物柴油的气相色谱(GC)分析57-58
• 5.3 催化剂的表征分析58-60
• 5.3.1 碱性IL-Fe_3O_4@SiO_2的红外表征58
• 5.3.2 碱性IL-Fe_3O_4@SiO_2的元素分析表征58-59
• 5.3.3 碱性IL-Fe_3O_4@SiO_2的热重(TGA)分析59
• 5.3.4 碱性IL-Fe_3O_4@SiO_2的宏观磁性效果表征59-60
• 5.4 碱性IL-Fe_3O_4@SiO_2催化酯交换反应条件优化60-63
• 5.4.1 反应温度对甲酯含量的影响60-61
• 5.4.2 催化剂用量对甲酯含量的影响61
• 5.4.3 反应时间对甲酯含量的影响61-62
• 5.4.4 醇油摩尔比对甲酯含量的影响62-63
• 5.4.5 碱性IL-Fe_3O_4@SiO_2的重复使用性探究63
• 5.5 本章小结63-65
• 第六章 酸性离子液体功能化Fe_3O_4@SiO_2磁性固体酸催化剂的制备、表征及其活性探讨65-76
• 6.1 引言65
• 6.2 实验部分65-69
• 6.2.1 主要设备和仪器65-66
• 6.2.2 主要试剂66
• 6.2.3 催化剂的制备66-68
• 6.2.4 催化剂的表征技术68
• 6.2.5 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2催化“一锅法”反应合成生物柴油68-69
• 6.2.6 生物柴油的气相色谱(GC)分析69
• 6.3 催化剂的表征分析69-73
• 6.3.1 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的红外表征69
• 6.3.2 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的X-射线粉末衍射(XRD)表征69-70
• 6.3.3 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的扫描电子显微镜(SEM)表征70-71
• 6.3.4 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的透射电子显微镜(TEM)表征71
• 6.3.5 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的热重(TGA)分析71-72
• 6.3.6 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的宏观磁性效果表征72-73
• 6.4 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2催化“一锅法”反应制备生物柴油73-74
• 6.5 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的重复使用性探究74-75
• 6.6 酸性IL-Fe_3O_4@SiO_2的热过滤验证异相催化实验75
• 6.7 本章小结75-76
• 第七章 结论与展望76-78
• 7.1 主要结论76-77
• 7.2 主要创新点77
• 7.3 工作存在的不足及展望77-78
• 参考文献78-88
• 致谢88-89
• 附录89-90

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本文编号：838463