正交實驗法優選K2O/CaO-SBA-15催化生產生物柴油工藝條件*

齊相前，蔡天鳳，趙 華，董海進,韓 聰

(遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001)

與由原油制備的普通柴油相比，生物柴油是一種潔凈、無污染的可再生能源，是一種優質的石化柴油代用品，它具有高十六烷值；硫和芳烴含量低，污染少；分子中含有氧，有助于燃燒，降低了一氧化碳的排放量；還具有較高的閃點，使用較安全；具有較好的低溫啟動性，可部分替代普通柴油使用[1]。大力發展生物柴油產業具有重要的戰略意義,因為它對推動經濟可持續發展、能源替代，減輕城市大氣污染具有重要意義，目前各國都競相研究發展生物柴油。

目前制備生物柴油主要是通過酯交換法，即利用動植物油脂和微生物油脂中的脂肪酸甘油三酯與低分子的醇發生酯基交換的反應，使脂肪酸甘油三酯斷鏈生成脂肪酸單烷基酯，該過程又被稱作醇解反應，是不需要化學反應來改變脂肪酸組成的反應。根據催化劑的不同可以分為：酸催化法[2-3]、堿催化法[4-8]、生物酶法[9]和超臨界法等[10]。固體催化劑易分離、可重復使用，是一種發展前景很好的催化劑。

實驗以自制的K2O/CaO-SBA-15為催化劑，催化大豆油制備生物柴油，采用正交實驗優選最佳工藝條件。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

模板劑P123：美國Aldrich公司；正硅酸四乙酯、無水甲醇、硝酸鈣：國藥集團化學試劑有限公司；硝酸鉀：天津恒興化學試劑公司，以上試劑均為分析純。大豆油：市售；SBA-15：實驗室自制。

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責任公司；D-37520型高速冷凍離心機：德國HERAEUS公司；250 mL晶化瓶：常熟市衡器廠；

1.2 催化劑的制備

采用等體積浸漬法制備催化劑。取一定量的KNO3[或Ca(NO3)2或KNO3、Ca(NO3)2]和自制的SBA-15放入燒杯中，加入適量的蒸餾水溶解，在40 ℃水浴下攪拌12 h，停止攪拌，靜置，使其充分負載，達到浸漬平衡。然后用60 ℃水浴進行干燥，直到沒有水分。然后轉移到干燥箱中干燥，再把干燥后的白色藥品從燒杯中轉移到坩堝中，放到550 ℃的馬弗爐中焙燒2 h。分別得到不同活性組分負載量的K2O-SBA-15、CaO-SBA-15和K2O/CaO-SBA-15催化劑。

1.3 生物柴油的制備

分別稱取一定物質的量比的大豆油和無水甲醇，稱不同質量比的分子篩催化劑待用。先將大豆油加入三口燒瓶中預熱，開動磁攪拌，等溫度示數再次穩定到指定溫度，加少量待用的無水甲醇后，加入催化劑，再把剩余的無水甲醇加入，塞好玻璃塞。恒溫反應一段時間后，停止反應，關閉攪拌。冷卻至室溫，分離出催化劑，蒸出剩余的甲醇。將產物轉移到離心分離管中，離心分離，靜置，所需產物生物柴油在上層，下層為待回收粗甘油。

1.4 生物柴油產率的計算

生物柴油產率見式(1)。

(1)

式中：Y為生物柴油產率；m1為制取的生物柴油的質量；m2為反應前加入的原料油質量。

2 結果與討論

2.1 XRD表征

SBA-15負載K2O、CaO2種活性組分后的小角度和廣角度XRD圖譜見圖1和圖2。

2θ/(°)圖1 SBA-15和K2O/CaO-SBA-15的小角度XRD圖

2θ/(°)圖2 K2O/CaO-SBA-15的廣角度XRD圖

圖1中曲線b為SBA-15負載了K2O、CaO2種活性組分后的小角度XRD圖譜，由圖1可以看出在(100)晶面出現了較強的衍射峰，在(110)、(200)晶面出現了2個較弱的衍射峰，說明負載2種活性組分依然沒有改變SBA-15分子篩的介孔結構。但是在(100)、(110)、(200)晶面衍射峰的強度都相應有所降低，說明有分子進入到了孔道，降低了孔道和孔壁間的對比度，降低了分子篩的孔徑和比表面積。圖2為SBA-15負載了K2O、CaO 2種活性組分后的廣角度XRD圖譜，由圖可以看出在高角范圍沒有出現明顯的衍射峰，說明SBA-15的介孔孔壁為無定形的，且在2θ為30°～40°時沒有出現K2O、CaO的衍射峰，結合圖1可知，K2O、CaO在介孔孔壁上高度分散，且沒破壞它的介孔結構。

2.2 正交實驗

在單因素實驗的基礎上，選用3% K2O/3%CaO-SBA-15[n(K2O)∶n(CaO)∶n(SBA-15)=3∶3∶94]為催化劑，以反應時間A、反應溫度B、m(催化劑)∶m(原料油)C和n(原料油)∶n(甲醇)D為變量的四因素三水平實驗。對制備生物柴油的條件進行初步預測，各因素水平見表1。

表1 L9(34)正交實驗因素水平表

按表1安排進行正交實驗，以生物柴油產率為實驗指標，正交實驗結果及極差分析見表2。

表2 L9(34)正交實驗安排及結果

由正交實驗結果分析可知，在影響生物柴油產率的各個因素中，影響程度由大到小依次為A>B>C>D，即反應時間>反應溫度>油醇物質的量比>催化劑的用量。最佳的合成工藝條件為A2B2C2D2。即使用催化劑3%K2O/3%CaO-SBA-15時催化大豆油制備生物柴油的最佳反應條件為在溫度為60 ℃時加入n(原料油)∶n(甲醇)=12∶1的反應物，加入m(催化劑)∶m(原料油)=3%的催化劑，反應時間3 h。

對正交實驗結果分析得出的最佳反應條件進行驗證，得在上述最佳反應條件下生物柴油的產率為86.97%。

2.3 負載不同活性組分對催化性能影響

在溫度為60 ℃時加入n(原料油)∶n(甲醇)=12∶1的甲醇和大豆油以及n(負載活性組分)∶n(SBA-15)= 3%不同負載物的催化劑，反應3 h，研究催化劑在負載不同活性組分時對生物柴油產率的影響，結果見表3。

表3 不同活性組分對生物柴油產率的影響

從表3可以看出，不同的活性組分對生物柴油產率的影響不同。SBA-15是純硅介孔分子篩，不具有催化活性，因此生物柴油的產率基本為0。以CaO作為活性組分對反應有一定的催化作用，但催化作用較低，是由于CaO的堿性較弱，而且在甲醇中會形成懸濁液，使分離增加難度。以K2O-SBA-15作為催化劑，隨著活性組分堿性的增強催化效果越強。負載2種堿金屬氧化物時催化效果也有所加強，它具有較好的活性中心，有較大的孔徑和孔容為大分子提供良好的反應條件，可以作為較為理想的催化劑用于催化大豆油酯交換反應制備生物柴油。

3 結 論

(1) 通過浸漬法制備了負載不同活性組分的固體堿性催化劑：K2O-SBA-15、CaO-SBA-15和K2O/CaO -SBA-15。通過表征結果可以看出，負載活性組分后，SBA-15的比表面積和孔徑有所降低，但是沒有改變它的介孔結構。

(2) 以K2O/CaO -SBA-15為催化劑，采用四因素三水平正交實驗，確定最佳反應條件為：在溫度60 ℃時加入n(原料油)∶n(甲醇)=12∶1的反應物，加入m(催化劑)∶m(原料油)= 3%的催化劑，反應3 h，產率達86.97%。

(3) 對負載不同活性組分的催化劑，在相同反應條件下催化大豆油與甲醇發生酯交換反應，以K2O/CaO-SBA-15為催化劑生物柴油的產率最高。

[ 參 考 文 獻 ]

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