论文部分内容阅读
随着石化燃料的逐渐耗尽,社会经济发展对能量需求不断增加,环境问题日益凸显,寻找新的“清洁”替代能源是人类生存与发展所面临的共同任务。其中,以天然植物油或动物油脂与甲醇、乙醇或其他短链醇在催化剂作用下制备的生物柴油作为一种环境友好的可再生能源,已受到世界各国的普遍关注。为了使生物柴油生产过程更加环境友好,高性能的固体生物柴油催化剂是目前生物柴油研究开发的重点。本文以生物甲壳为原料,利用它独特的生物和化学结构,研究合成一种新颖的高性能生物柴油酯交换催化剂。在实验过程中,首先让生物甲壳进行了不完全碳化,得到具有较大比表面积的多孔框架结构,然后用具有较强反应能力的KF溶液进行浸润,最后在一定温度下活化后得到了具有优良催化活性的生物柴油催化剂。经这种新颖的“三步合成法”制得的催化剂,活性高于文献报道的固体碱催化剂,而且制备过程操作简单,没有环境污染,具有显著的“绿色”合成的特点。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射法（XRD）、扫描电镜（SEM）、热重分析法（TGA）、BET比表面积测定、化学吸附剂表面碱性测定（CO2-TPD）、能量散射光谱（EDS）、示差扫描量热仪（DSC）等催化剂表征方法,对合成的新型生物甲壳酯交换催化剂进行表征,以探讨催化剂活性的形成机制。结果显示,经过改性的生物甲壳不但保留了原有的孔道结构,而且获得了更大比表面积和吸附容量,KF成功负载到生物甲壳上,经过活化后形成具有一定碱性的催化中心。对生物甲壳催化剂酯交换反应的反应动力学进行研究,得到酯交换反应的反应级数与活化能,并结合对催化剂的表征,提出了全新的生物甲壳催化剂酯交换反应机理。结果表明,使用生物甲壳催化剂进行酯交换反应,反应级数为2.90,反应的的表观活化能为16.4±2.4kJ/mol,催化剂的实际使用效果优于目前报道的大部分固体催化剂。生物甲壳催化剂特殊的结构使得酯反应能够在较低的碱度下迅速地进行。论文同时考察了这种新型固体催化剂在菜籽油酯交换反应制备生物柴油中的催化性能,详细研究了不同碳化温度、KF浸渍量和活化温度对于催化剂性能的影响,得到最佳的制备条件为:碳化温度500℃,KF浸渍量25wt.%,活化温度300℃。研究了酯交换过程中反应温度、反应时间、反应物醇油摩尔比、催化剂用量等对相对酯交换产率的影响,得到了优化的反应条件:反应温度为70℃,反应时间为3h,醇油物质的量比为9:1,催化剂用量为5 wt.%,生物柴油的产率可达到接近液碱的催化水平。在实际使用中,通过对每次使用过的催化剂进行洗涤,可以达到良好的重复使用效果。生物甲壳催化剂不仅使生物柴油生产过程环境友好,而且这种催化剂的原料及制备过程也有显著的绿色化学特点。这种催化剂催化活性高、性能稳定,在生物柴油的发展中将有广阔的应用前景。