CN102824903A - 一种以白云石为原料制备的多孔固体碱催化剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以白云石为原料制备多孔固体碱催化剂。用多孔固体碱催化剂催化植物油进行酯交换反应制备生物柴油。以白云石矿为原料,通过与以C3-C11的脂肪酸为模板剂制,以水为溶剂,经加热搅拌,形成脂肪酸复合物,再经焙烧后形成具有介孔、较高表面积的固体碱催化剂,应用本方法制得的催化剂催化植物油制备生物柴油较传统方法(直接焙烧)制得的催化剂表现出高的催化性能,同等条件下可提高催化效率20%以上。
Description
技术领域
本发明涉及化学化工有关多孔固体碱催化剂生产技术领域,具体地说是一种以白云石为原料制备的多孔催化剂及其在生产生物柴油制备的技术。特别涉及白云石为原料通过简单处理制备得到的多孔固体碱催化剂催化植物油生产生物柴油的方法和各项工艺指标。
背景技术:随着世界经济的快速发展,石油、煤、天然气等不可再生能源的消耗日益增加,储量日益减少,石化能源燃烧而产生的废气导致温室效应和全球气候暖化。在此背景下,对可再生能源的研究引起了世界各国的高度重视。生物柴油被认为是一种绿色燃料,相对于石化燃料,安全性能好、放热量高、低的废气排放量、无毒、环保等优势而越来越受到人们的重视。目前,工业上主要是用均相催化剂催化制备生物柴油。均相催化过程容易产生皂化或乳化,在后处理过程中需要大量的水洗,从而产生大量的工业废水造成环境污染和生产成本的增加。因此,寻找廉价易制备、高催化活性的非均相催化剂成为突破生物柴油能得以广泛应用的瓶颈。而目前廉价易得、催化活性高、适合工业化开发的非均相催化剂还很少,并且催化剂制备复杂操作程序不易控制。
白云石资源在地球上有着极其丰富含量,它主要由碳酸钙和碳酸镁组成。颜色多为白色、灰色、肉色、无色、绿色、棕色、黑色、暗粉红色等,硬度3.5-4。在形成过程中由于受到不同地质作用和环境的影响,常常混入一些粘土矿物、燧石、菱镁矿等杂质,有时含有石膏、硬石膏、天青石、重晶石、黄铁矿和有机质等。白云石煅烧后通常含氧化钙、氧化镁为主,同时还含有少量的氧化硅、氧化铝、三氧化二铁等杂质。白云石资源在我国主要产地有山东、河北、山西、辽宁和两湖等地蕴藏量极其丰富。因此,以白云石为原料通过简单处理制备得到非均相催化剂,催化植物油制备生物柴油,将很大程度上降低生物柴油的生产成本。但直接焙烧的白云石因比表面积小,活性位密度低而催化效率低。
发明内容:本发明目的在于针对现有均相催化工艺的不足和非均相催化剂催化活性较低,成本高制备复杂的缺点,发明的一种新的、非均相多孔固体碱催化剂催化植物油制备生物柴油的方法和工艺。
本发明涉及的生物柴油制备工艺包含油和甲醇发生酯交换反应、过滤或离心分离固体碱催化剂、液相经过减压蒸馏回收甲醇、静置分层、分液处理。
本发明的具体方案:将酸值≤3.0mg KOH/g的植物油,甲醇和以白云石为原料制备得到的催化剂按一定比例投入反应釜中反应,其中催化剂用量为植物油质量的0.5%-20%,甲醇与植物油的物质量比例为3:1-20:1,反应温度为45-75℃,反应压力为0.8-1.5MPa,反应时间为1-5h。反应结束后,将反应体系冷却、过滤分离催化剂,液相经过减压蒸馏回收甲醇,然后静置、分液得到生物柴油。
所涉及的催化剂:以白云石矿为原料,通过与以C3-C11的脂肪酸为模板剂制备,按脂肪酸与白云石矿的质量比为1:1-1:10混合、以水为溶剂,于25-100℃加热搅拌0.5-3h,形成脂肪酸复合物,再趁热转移至坩埚中,于550-850℃焙烧1-10h,经焙烧后形成具有介孔、较高表面积的固体碱催化剂。
本发明中所涉及的特征在于以白云石矿为金属源;本发明中所涉及的C3-C11的脂肪酸为丙酸、丁酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、庚酸、正辛酸、壬酸、癸酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、十一碳酸中的一种或几种混合为模板剂;本发明中所涉及的焙烧的气氛为空气流、氮气流。
所涉及的催化剂的制备方法:将C3-C11的脂肪酸中的丙酸、丁酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、庚酸、正辛酸、壬酸、癸酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、十一碳酸中的一种或几种混合为模板剂,按脂肪酸与白云石矿的质量比为1:1-1:10的量完全溶在水中,加入白云石矿于25-100℃加热搅拌0.5-3h,形成脂肪酸复合物,再趁热转移至坩埚中,于550-850℃焙烧1-10h,经焙烧后形成具有介孔、较高表面积的固体碱催化剂。
所涉及催化剂的重复使用再生方法:将催化剂过滤出经甲醇、乙醇、正己烷、石油醚、乙酸乙酯、环己烷中的至少一中或任意比例混合物洗涤、干燥,再于550-850℃煅烧1-10h、冷却、研磨后制备得到催化剂。
通过扫描电子显微镜表征(图1)可见,以柠檬酸为模板剂,按脂肪酸与白云石矿的质量比为1:2的量完全溶在水中,再加人白云石矿于90℃加热搅拌2h,形成脂肪酸复合物,再趁热转移至坩埚中,在700℃焙烧2h,得到的白云石固体碱催化剂颗粒较小。通过对白云石固体碱催化剂透射电子显微镜表征(图2)可见,催化剂具有孔状结构。通过对白云石固体碱催化剂透射电子显微镜表征(图2)可见,通过对白云石固体碱催化剂吸附-脱附表征表征结果表明,催化剂的比表面积为25.387 m2/g,外表面积为22.188 m2/g,微孔面积为3.198 m2/g。
通过该方法制备得到的多孔白云石固体碱催化剂,与直接焙烧白云石比,在同等条件下,催化植物油制备生物柴油,催化效率提高20%以上。
本发明的优点在于:(1)所涉及的催化剂原料来源广泛充足、成本低廉、制备简便、可重复使用;(2)催化反应条件温和、时间短;(3)所涉及的催化剂为非均相催化行为,反应后处理简便产品不需要洗涤、催化剂容易分离和再生;(4)所涉及的催化剂催化效率高,用量少;(5) 所涉及的催化剂具有对植物油具有广泛的适应性。
附图说明:
图1为直接焙烧白云石固体碱催化剂的扫描电镜图,图2为经柠檬酸改性焙烧白云石固体碱催化剂的扫描电镜图,可见直接焙烧的白云石为大块状,而经柠檬酸改性的白云石呈层状。这是比表面积增大的直接表现。
具体实施方式:实施例一
1、植物油前处理。通过将麻疯树种子原油在降压蒸馏的方式干燥除去水分,再用0.15mol/L的KOH标准溶液进行酸值测定,测定酸值为7.6 mgKOH/g。
2、植物油降酸处理。称取1000g麻疯树种子原油,然后将8.6g Na2CO3完全溶在水中,再将Na2CO3的水溶液缓慢加入到原油中,搅拌反应8 h后过滤、干燥得到848 g酸值0.56 mgKOH/g的麻疯树种子油。
3、催化剂的制备。将40g柠檬酸溶于30mL的蒸馏中,然后将白云石20g加入到柠檬酸水溶液中,然后在90℃反应2h,将得到的固体产物干燥、研磨,然后在马弗炉中700℃煅烧2h,冷却后,取出得到固体催化剂。
4、酯交换反应制备生物柴油。向反应瓶中投入麻疯树种子油1000g,甲醇210g(醇油物质量比为8:1),加入固体催化剂30g(催化剂用量为油质量的3%)。在65℃条件下反应3h,反应结束后,通过离心将催化剂粗分离,然后过滤将固体催化剂完全分离出。过滤得到的反应液在降压条件下蒸馏回收甲醇,然后份分液上层为制备得到的生物柴油,下层为副产物甘油。
5、生物柴油脂肪酸甲酯含量的测定。采用外标法作标准曲线,通过气相色谱检测得产品中脂肪酸甲酯含量为96.0%。生物柴油产率达94.5%。
实施例二
1、植物油前处理与植物油降酸处理同实例一。
2、催化剂的制备。将50g酒石酸溶于300mL的蒸馏中,然后将白云石20g加入到柠檬酸水溶液中,然后在90℃反应4h,将得到的固体产物干燥,然后在马弗炉中700℃煅烧5h,冷却后,取出得到白云石为原料的固体催化剂。
3、酯交换反应制备生物柴油。向反应瓶中投入麻疯树种子油1000g,甲醇210g(醇油物质量比为8:1),加入固体催化剂50g(催化剂用量为油质量的5%)。在65℃条件下反应3h,反应结束后,通过离心将催化剂粗分离,然后过滤将固体催化剂完全分离出。过滤得到的反应液在降压条件下蒸馏回收甲醇,然后份分液上层为制备得到的生物柴油,下层为副产物甘油。
4、生物柴油脂肪酸甲酯含量的测定。采用外标法作标准曲线,通过气相色谱检测得产品中脂肪酸甲酯含量为94.5%。生物柴油产率达93.0%。
实施例三
1、植物油前处理与植物油降酸处理同实例一。
2、催化剂的制备。将30g的丙二酸、50g的己二酸和20g的十一碳酸溶于300mL的蒸馏中,再将白云石20g加入到丙二酸溶液中,然后在90℃反应4h,将得到的反应产物倒出、冷却后磨细,然后在马弗炉中750℃煅烧10h,冷却后,取出得到固体催化剂。
3、 酯交换反应制备生物柴油。向反应瓶中投入麻疯树种子油1000g,甲醇263g(醇油物质量比为10:1),加入固体催化剂40g(催化剂用量为油质量的4%)。在65℃条件下反应3h,反应结束后,通过离心将催化剂粗分离,然后过滤将固体催化剂完全分离出。过滤得到的反应液在降压条件下蒸馏回收甲醇,然后份分液上层为制备得到的生物柴油,下层为副产物甘油。
4、生物柴油脂肪酸甲酯含量的测定。采用外标法作标准曲线,通过气相色谱检测得产品中脂肪酸甲酯含量为90.0%。生物柴油产率达88.5%。
实施例四
1、植物油前处理与植物油降酸处理同实例一。
2、催化剂的制备。将80g柠檬酸溶于300mL的蒸馏中,然后将白云石20g加入到柠檬酸水溶液中,然后在90℃反应4h,将得到的固体产物干燥,然后在马弗炉中700℃煅烧5h,冷却后,取出得到白云石为原料的固体催化剂。
3、酯交换反应制备生物柴油。向反应瓶中投入麻疯树种子油600g,甲醇210g(醇油物质量比为10:1),加入固体催化剂50g(催化剂用量为油质量的5%)。在65℃条件下反应2h,反应结束后,通过离心将催化剂粗分离,然后过滤将固体催化剂完全分离出。过滤得到的反应液在降压条件下蒸馏回收甲醇,然后份分液上层为制备得到的生物柴油,下层为副产物甘油。
4、生物柴油脂肪酸甲酯含量的测定。采用外标法作标准曲线,通过气相色谱检测得产品中脂肪酸甲酯含量为90.27%。生物柴油产率达89.1%。
实施例五
1、植物油前处理与植物油降酸处理同实例一。
2、催化剂的制备。将120g柠檬酸溶于300mL的蒸馏中,然后将白云石25g加入到柠檬酸水溶液中,然后在90℃反应4h,将得到的固体产物干燥,然后在马弗炉中800℃煅烧3h,冷却后,取出得到白云石为原料的固体催化剂。
3、酯交换反应制备生物柴油。向反应瓶中投入麻疯树种子油600g,甲醇170g(醇油物质量比为10:1),加入固体催化剂30g(催化剂用量为油质量的3%)。在65℃条件下反应2h,反应结束后,通过离心将催化剂粗分离,然后过滤将固体催化剂完全分离出。过滤得到的反应液在降压条件下蒸馏回收甲醇,然后份分液上层为制备得到的生物柴油,下层为副产物甘油。
4、生物柴油脂肪酸甲酯含量的测定。采用外标法作标准曲线,通过气相色谱检测得产品中脂肪酸甲酯含量为92.49%。生物柴油产率达90.1%。
实施例六
1、植物油前处理与植物油降酸处理同实例一。
2、催化剂的制备。将80g丙二酸溶于300mL的蒸馏中,然后将白云石20g加入到丙二酸水溶液中,然后在90℃反应4h,将得到的固体产物干燥,然后在马弗炉中750℃煅烧5h,冷却后,取出得到白云石为原料的固体催化剂。
3、酯交换反应制备生物柴油。向反应瓶中投入麻疯树种子油600g,甲醇170g(醇油物质量比为10:1),加入固体催化剂30g(催化剂用量为油质量的3%)。在65℃条件下反应2h,反应结束后,通过离心将催化剂粗分离,然后过滤将固体催化剂完全分离出。过滤得到的反应液在降压条件下蒸馏回收甲醇,然后份分液上层为制备得到的生物柴油,下层为副产物甘油。
4、生物柴油脂肪酸甲酯含量的测定。采用外标法作标准曲线,通过气相色谱检测得产品中脂肪酸甲酯含量为86.1 %。生物柴油产率到达85.6%。
实施例七
1、植物油前处理与植物油降酸处理同实例一。
2、催化剂的制备。将80g十一碳酸溶于300mL的蒸馏中,然后将白云石20g加入到十一碳酸水溶液中,然后在90℃反应4h,将得到的固体产物干燥,然后在马弗炉中800℃煅烧5h,冷却后,取出得到白云石为原料的固体催化剂。
3、酯交换反应制备生物柴油。向反应瓶中投入麻疯树种子油600g,甲醇170g(醇油物质量比为10:1),加入固体催化剂50g(催化剂用量为油质量的5%)。在65℃条件下反应2h,反应结束后,通过离心将催化剂粗分离,然后过滤将固体催化剂完全分离出。过滤得到的反应液在降压条件下蒸馏回收甲醇,然后份分液上层为制备得到的生物柴油,下层为副产物甘油。
4、生物柴油脂肪酸甲酯含量的测定。采用外标法作标准曲线,通过气相色谱检测得产品中脂肪酸甲酯含量为88.1 %。生物柴油产率达86.9%。
本发明的优点在于:(1)所涉及的催化剂原料来源广泛充足、成本低廉、制备简便、可重复使用;(2)催化反应条件温和、时间短;(3)该所涉及的催化剂为非均相催化行为,反应后处理简便产品不需要洗涤、催化剂容易分离和再生;(4)所涉及的催化剂催化效率高,用量少。(5) 所涉及的催化剂具有对植物油具有广泛的适应性。
Claims (6)
1. 一种以白云石矿为原料制备的多孔催化剂,其特征是以白云石矿为原料,通过与以C3-C11的脂肪酸为模板剂制备,按脂肪酸与白云石的质量比为1:1-1:10混合、以水为溶剂,于25-100℃搅拌0.5-3h,再趁热转移至坩埚中,于550-850℃焙烧1-10h,冷却、研磨后制成具有介孔、较高表面积的固体碱催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种以白云石矿为原料制备的多孔催化剂,其特征在于以镁钙任意比例的白云石矿为原料。
3.根据权利要求1所述的一种以白云石矿为原料制备的多孔催化剂,其特征在于以C3-C11的脂肪酸为丙酸、丁酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、庚酸、正辛酸、壬酸、癸酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、十一碳酸中的一种或几种混合为模板剂。
4.根据权利要求1所述的一种以白云石矿为原料制备的多孔催化剂,其特征是坩埚中焙烧是在真空或常压条件下,焙烧的气氛为空气流、氮气流,焙烧温度为550-850℃,焙烧时间为1-10h。
5.如权利要求1所述的一种以白云石矿为原料制备的多孔催化剂的应用,其特征在于催化植物油进行酯交换反应生产生物柴油。
6.如权利要求5所述的一种以白云石矿为原料制备的多孔催化剂的应用,其特征在于将酸值≤3.0mgKOH/g的植物油,甲醇和催化剂按比例投入反应,催化剂用量为植物油质量的0.5%-20%,甲醇与植物油的物质量比例为3:1-20:1,反应温度45-75℃,反应压力为0.8-1.5MPa,反应时间1-5h,反应结束后,将反应体系冷却,过滤或离心分离催化剂,液相经过减压蒸馏回收甲醇,然后静置,分液得到生物柴油。
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C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121219 |