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基本信息

項(xiàng)目名稱：
一種用于制備生物柴油的新型固體酸催化劑
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
以天然油脂及脂肪酸與低碳醇通過(guò)酯交換和酯化反應(yīng)生產(chǎn)的生物柴油是環(huán)境友好的可再生能源。常見(jiàn)的液體酸堿催化反應(yīng)過(guò)程存在一些廢棄物，不符合綠色化工的需求。而固體酸作為制備生物柴油的一種新型催化劑，其研究對(duì)生物柴油的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用推廣都有重要意義。本課題選擇多糖類物質(zhì)作為制備催化劑的原料，經(jīng)高溫煅燒獲得得無(wú)定性碳，然后用濃硫酸磺化來(lái)制備固體酸催化劑，并用其作為催化劑催化油酸和甲醇的酯化反應(yīng)，獲得良好的效果。其催化活性與H2SO4相似，并且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程無(wú)三廢污染，催化劑可多次重復(fù)使用。經(jīng)成本核算，采用固體酸催化劑工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)。
詳細(xì)介紹：
1.本課題特點(diǎn) 利用來(lái)源廣泛的生物質(zhì)材料制備固體酸催化劑，從理論上來(lái)說(shuō)，可以拓展酸催化在生物柴油制備過(guò)程中的應(yīng)用，為生物柴油的催化理論提供新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)論證. 本課題利用自然界大量存在的多糖、葡萄糖和蔗糖等經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的灼燒磺化制備出性能突出的固體酸催化劑，該催化劑不溶于水、乙醇、甲醇、植物油脂和生物柴油。該催化劑主要用于催化脂肪酸和甲醇或乙醇的酯化反應(yīng)，因此在生物柴油制備過(guò)程中，可用于降低油的酸值。利用該催化劑可將酸化油的酸值降低到5以下。該固體酸催化劑可重復(fù)使用、易分離、簡(jiǎn)化工藝過(guò)程等，從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中來(lái)說(shuō)，可大大降低生物柴油生產(chǎn)成本，并能使整個(gè)工藝過(guò)程更加綠色化，產(chǎn)生大量的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。 該技術(shù)可應(yīng)用于相關(guān)企業(yè)提升產(chǎn)品效率，具有較大經(jīng)濟(jì)效益?？稍偕茉词菄?guó)家能源政策高度重視的項(xiàng)目，生物柴油是可再生能源的重要品種，為保障我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展有重要意義。用這種固體酸催化劑制備的生物柴油排煙量少，成本比使用柴油低，有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 2．固體酸催化劑與傳統(tǒng)催化劑的比較 目前用于制備生物柴油的催化劑除了固體酸催化劑外最常用的是均相酸堿催化劑。酸催化酯交換過(guò)程產(chǎn)率高,但反應(yīng)速率慢,分離難且易產(chǎn)生三廢。堿催化劑不能使用在游離酸較高的情況，游離酸的存在會(huì)使催化劑中毒，這樣就縮小了可用原料的范圍。水常常也是堿催化劑的毒物，水的存在會(huì)促使油脂水解而與堿生成皂。因此雖然均相酸堿作催化劑時(shí)，油的轉(zhuǎn)化率高，但均相酸堿催化劑的弱點(diǎn)是催化劑不容易與產(chǎn)物分離，合成產(chǎn)物中存在的酸堿催化劑必須在反應(yīng)后進(jìn)行中和、水洗，從而產(chǎn)生大量的污水。均相酸堿催化劑隨產(chǎn)品流出，不能重復(fù)使用，帶來(lái)較高的催化劑成本。同時(shí)，酸堿催化劑對(duì)設(shè)備腐蝕問(wèn)題也是值得關(guān)注的問(wèn)題。而我們所使用的固體酸催化劑在反應(yīng)條件下不容易失活,對(duì)油脂的質(zhì)量要求不高,能催化酸值和含水量較高的油脂,催化劑易于與產(chǎn)品分離，可重復(fù)利用，催化過(guò)程中不產(chǎn)生廢水，是環(huán)境友好型物質(zhì)。但缺點(diǎn)是在催化油脂酯交換反應(yīng)中反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),反應(yīng)溫度較高,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率不是很高。因此,固體酸催化劑適合以廉價(jià)的廢餐飲油為原料生產(chǎn)生物柴油。綜合考慮各種因素，我們認(rèn)為固體酸催化劑是催化合成生物柴油的理想催化劑。

作品圖片

  • 一種用于制備生物柴油的新型固體酸催化劑
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)目的： 制備出適合生物柴油生產(chǎn)使用的高效固體酸催化劑，能夠?qū)⑺嶂到档?以下，轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上，并且能夠多次重復(fù)使用，使生物柴油的生產(chǎn)工藝更加綠色化。 設(shè)計(jì)思路： 1、采用高溫灼燒和磺酸基取代兩步法制備固體酸催化劑，在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考察原料（玉米粉、葡萄糖、糯米粉、蔗糖等）配比、灼燒溫度、灼燒時(shí)間、洗滌條件、硫酸磺化條件(溫度、時(shí)間、配比)對(duì)制得的固體酸催化劑特性的影響，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法獲得最優(yōu)的催化劑制備條件。 2、在制得的基礎(chǔ)上，為便于催化劑的工業(yè)應(yīng)用，進(jìn)一步研究催化劑負(fù)載技術(shù)，選擇多孔玻璃、多孔陶瓷和不同粒度的砂子進(jìn)行負(fù)載型固體酸催化劑的制備工藝的研究。 3、研究制得的催化劑催化酯化和轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化原料配比（醇、油和催化劑的配比）及相關(guān)反應(yīng)條件（溫度、時(shí)間）。 4、利用制得的固體酸催化劑進(jìn)行多批次的重復(fù)催化實(shí)驗(yàn)，研究催化劑的失活規(guī)律和特性，進(jìn)一步考察催化劑的復(fù)活方法。 創(chuàng)新點(diǎn)： 利用簡(jiǎn)單來(lái)源廣泛的原料制備一種新型的固體酸催化劑，并將其應(yīng)用于生物柴油的生產(chǎn)過(guò)程中，以克服傳統(tǒng)的液體硫酸作為催化劑過(guò)程中的焦化、產(chǎn)生酸性廢水污染環(huán)境和酸性甘油溶液難以重復(fù)利用的問(wèn)題。 技術(shù)關(guān)鍵： 固體酸催化劑制備的工藝配方及優(yōu)化工藝條件。 主要技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)化率

科學(xué)性、先進(jìn)性

目前用于制備生物柴油的催化劑除固體酸催化劑外最常用的是均相酸堿催化劑。酸催化酯交換過(guò)程產(chǎn)率高,但反應(yīng)速率慢,分離難且易產(chǎn)生三廢。堿催化劑不能使用在游離酸較高的環(huán)境，這樣就縮小了可用原料范圍。水是堿催化劑的毒物，水的存在會(huì)促使油脂水解而與堿生成皂。雖然均相酸堿作催化劑時(shí)，油的轉(zhuǎn)化率高，但其不容易與產(chǎn)物分離，合成產(chǎn)物中存在的酸堿催化劑必須在反應(yīng)后進(jìn)行中和、水洗，從而產(chǎn)生大量的污水。均相酸堿催化劑隨產(chǎn)品流出，不能重復(fù)使用，帶來(lái)較高的催化劑成本。同時(shí)，酸堿催化劑對(duì)設(shè)備腐蝕問(wèn)題也是值得關(guān)注的問(wèn)題。而我們所使用的固體酸催化劑在反應(yīng)條件下不容易失活,對(duì)油脂的質(zhì)量要求不高,能催化酸值和含水量較高的油脂,催化劑易于與產(chǎn)品分離，可重復(fù)利用，催化過(guò)程中不產(chǎn)生廢水，是環(huán)境友好型物質(zhì)。但缺點(diǎn)是在催化油脂酯交換反應(yīng)中反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),反應(yīng)溫度較高,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率不是很高。因此，固體酸催化劑適合以廉價(jià)的廢餐飲油為原料生產(chǎn)生物柴油。 綜合考慮各種因素，我們認(rèn)為固體酸催化劑是催化合成生物柴油的理想催化劑。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

榮獲“挑戰(zhàn)杯”省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 特等獎(jiǎng) 榮獲“挑戰(zhàn)杯”校大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 特等獎(jiǎng)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

技術(shù)入股或一次性買斷

作品可展示的形式

實(shí)物產(chǎn)品，圖片，樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 利用自然界大量存在的多糖和葡萄糖等經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的灼燒磺化制備性能突出的固體酸催化劑。該催化劑不溶于水、乙醇、甲醇、植物油脂和生物柴油，具有可重復(fù)使用、易分離、簡(jiǎn)化工藝過(guò)程等特點(diǎn)，可大大降低生物柴油生產(chǎn)成本，并使整個(gè)工藝過(guò)程更加綠色化。 適應(yīng)范圍： 主要用于催化脂肪酸和甲醇或乙醇的酯化反應(yīng)，適合以廉價(jià)廢餐飲油為原料生產(chǎn)生物柴油。 推廣前景： 可應(yīng)用于相關(guān)企業(yè)提升產(chǎn)品效率，且用該催化劑制備的生物柴油排煙量少，成本低，有很好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。 市場(chǎng)分析： 根據(jù)國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)指示精神，下階段將重點(diǎn)推進(jìn)生物柴油等生物石油替代品的發(fā)展。目前我國(guó)生物能源與生物化工產(chǎn)業(yè)處于起步階段，有關(guān)財(cái)稅扶持政策為其健康發(fā)展提供了有力保障。專家預(yù)測(cè)，到2010年，世界柴油需求量將從38%增加到45%，而柴油的供應(yīng)量嚴(yán)重不足，這都為發(fā)展生物柴油提供了廣闊的發(fā)展空間。 效益： 生物柴油是典型“綠色能源”，大力發(fā)展生物柴油對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，推進(jìn)能源替代和生態(tài)環(huán)境綜合治理等方面有十分重大的戰(zhàn)略意義。

同類課題研究水平概述

1、金屬氧化物通常為高溫下煅燒金屬酸性氧化物而得Furuta等研究了WZA（鎢酸化氧化鋯-氧化鋁）、SZA（硫酸化氧化鋯）、STO（硫酸化氧化錫）3種固體酸催化劑的制備，并比較了3種催化劑催化大豆油和甲醇發(fā)生酯化和轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的性能。結(jié)果顯示W(wǎng)ZA的效果最好，在300 ℃下，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，醇油摩爾比為40：1，反應(yīng)20 h，產(chǎn)率可達(dá)90%以上，并在100 h內(nèi)具催化能力。經(jīng)GC-MS分析檢測(cè)，除甘油外，還檢測(cè)到甘油一酯和甘油二酯。WZA不僅具有轉(zhuǎn)酯化作用，還有高的酯化能力，200℃下，用WZA催化甲醇和n-辛酸發(fā)生酯化反應(yīng)，20 h內(nèi)反應(yīng)完全。 2、硅酸鹽是較常用的固體酸催化劑，但催化活性并不強(qiáng)。Anton等比較了3種硅酸鹽催化劑：H-ZSM-5，Y和Beta，結(jié)果顯示僅有1%～4%的轉(zhuǎn)化率。其原因一方面是由于硅酸鹽的酸性本身較弱，另一方面硅酸鹽顆粒小孔內(nèi)有較多親水性基團(tuán)，致使有機(jī)分子不能接近孔內(nèi)的催化活性部位，僅有表面的催化活性基團(tuán)參與反應(yīng)。研究表明可通過(guò)調(diào)節(jié)SiO2/Al2O3的比例改善孔內(nèi)的疏水特性，從而改善催化效果。Mbaraka等通過(guò)連接有機(jī)磺酸基團(tuán)和疏水基團(tuán)來(lái)增強(qiáng)酸性和疏水特性，制備了有機(jī)無(wú)機(jī)酸雜合催化劑SBA-15-SO3H，以含1200 mg/L水的原油為原料，85 ℃下催化2 h，轉(zhuǎn)化率可達(dá)74%。 3、磺化無(wú)定形碳，通過(guò)煅燒葡萄糖、淀粉或芳香族化合物（如萘等）等形成無(wú)定形碳組織，再接上磺酸基團(tuán)制備而得。煅燒后形成的芳香環(huán)無(wú)定形碳具有較大的比表面積，且呈現(xiàn)較強(qiáng)的疏水特性，磺化后具有酸性的活性中心，使其成為良好的固體酸催化劑，本課題即采用此法。
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