CN102965202B - 一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，包括下述步骤：①取天然生物质洗净干燥粉碎后，浸渍在弱酸性的氨基酸有机溶液中，取出浸渍氨基酸有机溶液的天然生物质后，得到酸化天然生物质；②将酸化天然生物质浸渍在二肽化合物或三肽化合物的溶液中，浸渍完成后，得到非均相催化剂；③将油脂及非均相催化剂投入在反应釜中，再将短链醇分次投入到反应釜中，非均相催化剂的用量为油脂总重量的3-7%，短减压蒸去短链醇，分离催化剂及甘油，得到生物柴油。本发明采用天然生物质直接酸化制取催化剂，不进行碳化处理，提高制取催化剂的产率，降低成本，从而降低生物柴油的生产成本，并提高了生物柴油的产率。

Description

一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法
技术领域
本发明涉及生物柴油，是一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法。
背景技术
由于生物柴油为再生油，是绿色燃料，所以目前世界各国都在研究制备生物柴油。目前的生物柴油生产方法主要是化学法，催化剂为浓硫酸，其不足是产物与催化剂分离困难，并对反应设备腐蚀严重，其副产物及废液对环境污染较重。为解决上述问题，本领域技术人员提供了以阳离子交换树脂为催化剂制备生物柴油、用金属氧化物的固体酸碱催化剂制备生物柴油等方法，这些方法的不足是：树脂为催化剂的方法反应时间长、温度高，使有机树脂无法承受；金属类为催化剂的方法的不足是：需要使用贵金属，并需将金属氧化物负载在氧化铝、分子筛等载体上，经高温焙烧制成，这种工艺导致柴油价格较高，给使用者增加较高的成本。另外，近几年公开的炭基固体酸催化剂的出现，以较低成本和较高催化活化等特征引起了本领域技术人员的高度关注，然而，这些方法都是用不同的的生物质、用不同的方法先碳化，再磺化制备炭基固体酸的方法。它的不足在于：在制备过程中，天然生物质中的大部分有机质都损失掉了，碳化后得到的炭基物料的体积和重量均大幅减少，机械强度比天然生物质低许多，使用后形成许多极细的碳末，较难在工业上再回收利用。
相比较而言，用生物酶做催化剂制备生物柴油反应条件温和，无污染物排放，引起较大关注。清华大学专利CN1557913A，北京化工大学专利CN102199635A，及华中理工大学专利CN102382864A，都提出了以脂肪酶为催化剂制备生物柴油的方法。然而酶的分离纯化及固定化成本较高，特别是因低碳醇对酶有毒性，常导致生物柴油得率偏低，这些都使得用生物酶法生产生物柴油难以在短期内普及工业化。
发明内容
本发明的目的是提供一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，它采用天然生物质直接酸化制取催化剂，不进行碳化处理，提高制取催化剂的产率，降低成本，从而降低生物柴油的生产成本，并提高了生物柴油的产率。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，包括下述步骤：
①取天然生物质洗净干燥粉碎后，浸渍在弱酸性的氨基酸有机溶液中，氨基酸有机溶液的浓度为0.01-0.1mol/L，浸渍时间为2-5小时，取出浸渍氨基酸有机溶液的天然生物质后，在30℃-80℃下烘干，得到酸化天然生物质；
②将酸化天然生物质浸渍在二肽化合物或三肽化合物的溶液中，溶液的浓度为0.1-0.2mol/L，浸渍时间为2-3小时，溶液的温度为35℃-55℃，浸渍完成后，取出天然生物质在50℃-80℃下烘干，得到非均相催化剂；
③将油脂及非均相催化剂投入在反应釜中，再将短链醇分次投入到反应釜中，非均相催化剂的用量为油脂总重量的3-7%，短链醇与油脂的摩尔比为3-12：1，经过搅拌后加热至60℃-120℃，使其发生酯化和酯交换反应，反应1-10小时后，减压蒸去短链醇，分离催化剂及甘油，得到生物柴油。
本发明步骤③所述的反应釜也可以是固定床反应器，此时将短链醇与油脂按3-12：1的摩尔比混合形成混合液，再将混合液连续流过装有非均相催化剂床层的固定床反应器，非均相催化剂的用量为固定床体积的10%-15%，固定床反应器温度维持在60℃-120℃，反应5-6小时，酯化及酯交换反应后，对流出的反应液进行减压蒸馏，去除短链醇及水，静置或离心分离甘油后，得到生物柴油。
步骤①中所述的天然生物质为木屑、竹屑、木质素、纤维素、果壳、稻壳、农作物秸杆、淀粉的任一种或两种以上的混合物。
步骤③中所述的短链醇与油脂的摩尔比为3-5：1。所述的短链醇为甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇。
步骤①的氨基酸有机溶液的温度为35℃-60℃。
所述的氨基酸为常见的20种标准氨基酸中的一种或多种；所述的二肽化合物为两个常见氨基酸通过肽键连接而成的化合物，三肽化合物为三个常见氨基酸连接而成的化合物。
本发明所述的一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，包括下述步骤：
①取洗净干燥好粉碎后的农作物秸秆10kg，粉碎后45℃下浸渍在浓度为0.05mol/L的亮氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为3.5h，取出后55℃下烘干；
②将酸化后的秸秆在45℃下浸渍在0.15mol/L的二肽化合物苏氨酰赖氨酸的溶液中2.5h，取出后65℃下烘干，得到非均相催化剂；
③将动物油100kg及非均相催化剂5kg投入间歇式反应釜中，再将丙醇33kg分3次投入反应釜，90℃下搅拌加热，使其发生酯化和酯交换反应，反应5.5h后减压蒸馏除去多余的丙醇，静置分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。
所述的油脂为天然生物质油、动物油脂、地沟油、各类酸化油以及天然动、植物脂肪酸。以地沟油为原料制备生物柴油时，要对地沟油进行预脱水、脱杂处理。
本发明所述的制备生物柴油的方法，采用了自制的非均相催化剂，这种催化剂以廉价的天然生物质为主体，制备了一种模仿生物酶活性中心的催化剂，这种催化剂不需要对天然生物质进行碳化处理，可直接进行酸化，催化剂的产率高，制备成本低，催化剂的机械强度高，与天然生物质的机械强度相近，能将颗粒大小控制在所需范围内，便于回收利用，这种催化剂不受酸和水浓度的影响，稳定性好，也不会产生皂化反应和废液污染。
本发明的制备方法分别进行氨基酸溶液和二肽及多肽化合物溶液的两次浸渍，能够更好的提高催化剂的活性。
本发明用这种催化剂易于在反应混合物中分离，提高了进一步回收利用的价值。采用了“一步法”，利用各种酸值的废弃油脂生产出了质量合格的生物柴油。生物柴油完全符合国家0号柴油的标准。本发明制备生物柴油的方法反应条件温和，免除了对原料油进行脱酸、预酯化的处理工艺，降低了生产成本，对生产过程中使用的设备没有腐蚀，适合生物柴油的大规模连续化生产，并具有产率高的优点等。
具体实施方式
一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，包括下述步骤：
①取天然生物质洗净干燥粉碎后，浸渍在弱酸性的氨基酸有机溶液中，氨基酸有机溶液的浓度为0.01-0.1mol/L，浸渍时间为2-5小时，取出浸渍氨基酸有机溶液在天然生物质后，在30℃-80℃下烘干，得到酸化天然生物质；
②将酸化天然生物质浸渍在二肽化合物或三肽化合物的溶液中，溶液的浓度为0.1-0.2mol/L，浸渍时间为2-3小时，溶液的温度为35℃-55℃，浸渍完成后，取出天然生物质在50℃-80℃下烘干，得到非均相催化剂；
③将油脂及非均相催化剂投入在反应釜中，再将短链醇分次投入到反应釜中，非均相催化剂的用量为油脂总重量的3-7%，短链醇与油脂的摩尔比为3-12：1，经过搅拌后加热至60℃-120℃，使其发生酯化和酯交换反应，反应1-10小时后，减压蒸去短链醇，分离催化剂及甘油，得到生物柴油。
步骤③所述的反应釜可以是固定床反应器，此时将短链醇与油脂按3-12：1的摩尔比混合形成混合液，再将混合液连续流过装有非均相催化剂床层的固定反应器，非均相催化剂的用量为固定床体积的10-%-15%，固定反应器温度维持在60℃-120℃，反应5-6小时，酯化及酯交换反应后，对流出的反应液进行减压蒸馏，去除短链醇及水，静置或离心分离甘油后，得到生物柴油。
步骤①中所述的天然生物质为木屑、竹屑、木质素、纤维素、果壳、稻壳、农作物秸杆、淀粉的任一种或两种以上的混合物。
步骤③中所述的短链醇与油脂的摩尔比为3-5：1。
所述的短链醇为甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇。
所述的氨基酸为常见的20种标准氨基酸中的一种或多种；所述的二肽化合物为两个常见氨基酸通过肽键连接而成的化合物，三肽化合物为三个常见氨基酸连接而成的化合物。
步骤①的氨基酸有机溶液的温度为35℃-60℃。
所述的油脂为天然生物质油、动物油脂、地沟油、各类酸化油以及天然动、植物脂肪酸。以地沟油为原料制备生物柴油时，要对地沟油进行预脱水、脱杂处理。
实施例：本发明的一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法可以有下述多个实施例：
1、具体步骤为：
①取洗净干燥、粉碎后的木屑10kg，60℃下浸渍在浓度为0.01mol/L的甘氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为2h，取出后30℃下烘干，得到酸化木屑;
②将酸化后的木屑在35℃下浸渍在0.1mol/L的二肽化合物丙氨酰亮氨酸的溶液中2h，取出后50℃下烘干，得到非均相催化剂;
③将经预脱水、脱杂处理的地沟油100kg及非均相催化剂3kg投入间歇式反应釜中，再将甲醇11kg分2次投入反应釜，60℃下搅拌加热，使其发生酯化和酯交换反应，反应10h后减压蒸馏除去多余的甲醇，静置分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。收率为72%。
2、具体步骤为：
①取洗净干燥、粉碎后的果壳4kg、木屑6kg，粉碎后在35℃下浸渍在浓度为0.1mol/L的丙氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为5h，取出后80℃下烘干;
②将酸化后的果壳和木屑的混合物在55℃下浸渍在0.2mol/L的三肽化合物酪丝亮肽的溶液中3h，取出后80℃下烘干，得到非均相催化剂;
③将植物油100kg及非均相催化剂7kg投入间歇式反应釜中，再将乙醇62kg分5次投入反应釜，120℃下搅拌加热，使其发生酯化和酯交换反应，反应1h后减压蒸馏除去多余的乙醇，静置分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。收率为78%.
3、具体步骤为：
①取洗净干燥好的淀粉10kg，35℃下浸渍在浓度为0.01mol/L的缬氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为2h，取出后30℃下烘干;
②将酸化后的淀粉在35℃下浸渍在0.1mol/L的三肽化合物丙甘酪肽的溶液中2h，取出后50℃下烘干，得到非均相催化剂;
③将经预脱水、脱杂处理好的地沟油100kg及异丙醇20kg的混合液连续的流过装有非均相催化剂床层的固定反应器，非均相催化剂的加入量为固定床体积的10%，固定床反应器温度维持在120℃，反应5h后，对流出的反应液减压蒸馏除去多余的异丙醇，离心分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。收率为71%。
4、具体步骤为：
①取洗净干燥好的稻壳10kg，60℃下浸渍在浓度为0.1mol/L的天冬氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为5h，取出后80℃下烘干;
②将酸化后的稻壳在55℃下浸渍在0.2mol/L的三肽化合物丙甘酪肽的溶液中3h，取出后80℃下烘干，得到非均相催化剂;
③将经预脱水、脱杂处理好的地沟油100kg及丙醇81kg的混合液连续的流过装有非均相催化剂床层的固定反应器，非均相催化剂的加入量为固定床体积的15%，固定床反应器温度维持在60℃，反应6h后，对流出的反应液减压蒸馏除去多余的丙醇，离心分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。收率为75%。
5、具体步骤为：
①取洗净干燥好粉碎后的农作物秸秆10kg，粉碎后45℃下浸渍在浓度为0.05mol/L的亮氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为3.5h，取出后55℃下烘干;
②将酸化后的秸秆在45℃下浸渍在0.15mol/L的二肽化合物苏氨酰赖氨酸的溶液中2.5h，取出后65℃下烘干，得到非均相催化剂;
③将动物油100kg及非均相催化剂5kg投入间歇式反应釜中，再将丙醇33kg分3次投入反应釜，90℃下搅拌加热，使其发生酯化和酯交换反应，反应5.5h后减压蒸馏除去多余的丙醇，静置分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。收率82%。
6、具体步骤为：
①取洗净干燥好粉碎后的木质素10kg，50℃下浸渍在浓度为0.08mol/L的缬氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为4h，取出后60℃下烘干;
②将酸化后的木质素在50℃下浸渍在0.18mol/L的三肽化合物丙甘酪肽的溶液中2.7h，取出后70℃下烘干，得到非均相催化剂;
③将经预脱水、脱杂处理的植物油100kg及非均相催化剂6kg投入间歇式反应釜中，再将异丙醇68kg分5次投入反应釜，100℃下搅拌加热，使其发生酯化和酯交换反应，反应3h后减压蒸馏除去多余的异丙醇，静置分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。收率74%。
7、具体步骤为：
①取洗净干燥好的纤维素3kg、淀粉7kg，40℃下浸渍在浓度为0.03mol/L的丝氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为3h，取出后50℃下烘干;
②将酸化后的纤维素、淀粉的混合物在40℃下浸渍在0.12mol/L的二肽化合物苯丙氨酰亮氨酸的溶液中2.3h，取出后40℃下烘干，得到非均相催化剂;
③将动物脂肪酸100kg及甲醇14kg的混合液连续的流过装有非均相催化剂床层的固定反应器，非均相催化剂的加入量为固定床体积的12%，固定床反应器温度维持在90℃，反应5.5h后，对流出的反应液减压蒸馏除去多余的甲醇，离心分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。收率80%。

Claims (6)

1.一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于：包括下述步骤：
①取天然生物质洗净干燥粉碎后，浸渍在弱酸性的氨基酸有机溶液中，氨基酸有机溶液的浓度为0.01-0.1mol/L，浸渍时间为2-5小时，取出浸渍氨基酸有机溶液的天然生物质后，在30℃-80℃下烘干，得到酸化天然生物质，所述的天然生物质为木屑、竹屑、木质素、纤维素、果壳、稻壳、农作物秸杆、淀粉的任一种或两种以上的混合物；
②将酸化天然生物质浸渍在二肽化合物或三肽化合物的溶液中，溶液的浓度为0.1-0.2mol/L，浸渍时间为2-3小时，溶液的温度为35℃-55℃，浸渍完成后，取出天然生物质在50℃-80℃下烘干，得到非均相催化剂；
③将油脂及非均相催化剂投入在反应釜中，再将短链醇分次投入到反应釜中，非均相催化剂的用量为油脂总重量的3-7%，短链醇与油脂的摩尔比为3-12：1，经过搅拌后加热至60℃-120℃，使其发生酯化和酯交换反应，反应1-10小时后，减压蒸去短链醇，分离催化剂及甘油，得到生物柴油，所述的油脂为天然生物质油、动物油脂、地沟油、各类酸化油以及天然动、植物脂肪酸的任一种；所述的短链醇为甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇。
2.根据权利要求1所述的一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于：步骤③所述的反应釜可以是固定床反应器，此时将短链醇与油脂按3-12：1的摩尔比混合形成混合液，再将混合液连续流过装有非均相催化剂床层的固定床反应器，非均相催化剂的用量为固定床体积的10%-15%，固定床反应器温度维持在60℃-120℃，反应5-6小时，酯化及酯交换反应后，对流出的反应液进行减压蒸馏，去除短链醇及水，静置或离心分离甘油后，得到生物柴油。
3.根据权利要求1所述的一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于：步骤③中所述的短链醇与油脂的摩尔比为3-5：1。
4.根据权利要求1所述的一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于：步骤①的氨基酸有机溶液的温度为35℃-60℃。
5.根据权利要求1所述的一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于：所述的氨基酸为常见的20种标准氨基酸中的一种或多种；所述的二肽化合物为两个常见氨基酸通过肽键连接而成的化合物，三肽化合物为三个常见氨基酸连接而成的化合物。
6.根据权利要求1所述的一种用非均相催化剂制备生物柴油的方法，其特征在于：包括下述步骤：
①取洗净干燥好粉碎后的农作物秸秆10kg，粉碎后45℃下浸渍在浓度为0.05mol/L的亮氨酸的弱酸性溶液中，浸渍时间为3.5h，取出后55℃下烘干；
②将酸化后的秸秆在45℃下浸渍在0.15mol/L的二肽化合物苏氨酰赖氨酸的溶液中2.5h，取出后65℃下烘干，得到非均相催化剂；
③将动物油100kg及非均相催化剂5kg投入间歇式反应釜中，再将丙醇33kg分3次投入反应釜，90℃下搅拌加热，使其发生酯化和酯交换反应，反应5.5h后减压蒸馏除去多余的丙醇，静置分离出催化剂和甘油，上层油相即为生物柴油产品。
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生物质能源研究进展与前景展望;马春红 等;《河北农业科学》;20110330;第15卷(第3期);第117-121页 *
马春红 等.生物质能源研究进展与前景展望.《河北农业科学》.2011,第15卷(第3期),第117-121页.

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