CN103706384A - 一种生物柴油催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物柴油催化剂的制备方法,将ZrCl4粉末和硝酸镧La(NO3)3·6H2O溶于100ml蒸馏水,快速搅拌30min,加入氨水作为沉淀剂,保持ph为碱性,生成Zr(OH)4沉淀,陈化24h,过滤洗涤,102℃条件下干燥;用质量分数为85%的H3PO4溶液作浸渍剂,浸渍2h,抽滤除去浸渍液,干燥,通入氮气,400-800℃温度下煅烧2h,得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂;本发明使用稀土元素对纳米PO4 3-/ZrO2催化剂改性,将功能组分均匀分散到二氧化锆网格结构,制备出具有较高催化性能和高稳定性的稀土固体超强酸催化剂,增加了催化剂有效酸性位的数目,增加了活性中心数目,提高了催化剂的活性及选择性,解决了普通固体酸催化剂活性组分在反应中较易流失,在较高温度条件下容易失活,催化效率不高的问题。
Description
技术领域
本发明属于生物柴油制备技术领域,尤其涉及一种生物柴油催化剂的制备方法。
背景技术
文冠果生物柴油(biodiesel)指利用各类动植物油脂为原料,与甲醇或乙醇等醇类物质经催化剂催化,通过酯交换反应,使其最终变成脂肪酸甲酯或乙酯,可供内燃机使用的一种燃料。合成文冠果生物柴油主要是采用均相催化剂,通过酯交换法合成。
常见的均相酸催化剂有硫酸、磷酸、盐酸和苯磺酸等,均相酸催化剂应用于酸值比较高的地沟油及工业废油,酯化率较高、价格便宜、不会引起皂化反应、无需对原料油进行预处理等优点,但是反应速度慢、反应温度高、产物不易分离、容易引起水污染。氢氧化钠和氢氧化钾是比较常用的均相碱催化剂,主要是因其合成方法简单,酯化率较高。但是现有的催化剂存在以下缺陷:不易回收、大量的废液不易处理、腐蚀设备等。
现有的催化剂存在固体酸催化剂活性组分在反应中易流失,在较高温度条件下容易失活,催化效率不高的问题。
发明内容
本发明提供了一种生物柴油催化剂的制备方法,旨在解决现有的催化剂存在固体酸催化剂活性组分在反应中易流失,在较高温度条件下容易失活,催化效率不高的问题。
本发明的目的在于提供一种生物柴油催化剂的制备方法,该生物柴油催化剂的制备方法包括以下步骤:
步骤一,将ZrCl4粉末和硝酸镧La(NO3)3·6H2O溶于蒸馏水中,快速搅拌30min,使之均匀溶解,加入氨水作为沉淀剂,保持ph为碱性,生成白色Zr(OH)4沉淀,陈化24h,过滤洗涤,在102℃条件下干燥;
步骤二,用质量分数为85%的H3PO4溶液作浸渍剂,浸渍2h,抽滤除去浸渍液,干燥,通入氮气,在400-800℃温度下煅烧2h,得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,用自封袋封装,放入干燥器中保存。
进一步,在步骤一中,ZrCl4还可以采用Zr(NO3)4或ZrOCl2。
进一步,在步骤二中,稀土元素镧还可以由铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥,以及与镧系的15个元素密切相关的元素钪和钇代替。
进一步,采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油的实现方法为:
向文冠果种仁油中加入甲醇和稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,水浴加热到75℃,反应5h;
反应后抽滤得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,干燥保存待用;
将滤液放入分液漏斗中沉淀分层,回收下层甘油,上层粗产品用蒸馏水清洗后,再无水硫酸钠除去水分,得到淡黄色清亮的文冠果生物柴油。
进一步,采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成的文冠果生物柴油为多种脂肪酸甲酯的混合物。
本发明提供的生物柴油催化剂的制备方法,首先称取一定量的ZrCl4粉末和硝酸镧La(NO3)3·6H2O,溶于100ml的蒸馏水中,快速搅拌30min,使之均匀溶解,加入氨水作为沉淀剂,保持ph为碱性,生成白色Zr(OH)4沉淀,陈化24h,过滤洗涤,在102℃条件下干燥;然后用质量分数为85%的H3PO4溶液作浸渍剂,浸渍2h,抽滤除去浸渍液,干燥,通入氮气,在400-800℃温度下煅烧2h,得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,用自封袋封装,放入干燥器中保存;采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油时,向文冠果种仁油中加入甲醇和稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,水浴加热到75℃,反应5h,反应后抽滤得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,干燥保存待用,将滤液放入分液漏斗中沉淀分层,回收下层甘油,上层粗产品用蒸馏水清洗后,再无水硫酸钠除去水分,得到淡黄色清亮的文冠果生物柴油;本发明通过使用稀土元素对纳米PO4 3-/ZrO2催化剂进行改性,将功能组分均匀分散到二氧化锆网格结构中,制备出具有较高催化性能和高稳定性的稀土固体超强酸催化剂,增加了催化剂有效酸性位的数目,从而增加活性中心数目,提高了催化剂的活性及选择性,较好地解决了普通固体酸催化剂活性组分在反应中较易流失,尤其是在较高温度条件下容易失活,催化效率不高的问题,实用性强,具有较强的推广与应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的生物柴油催化剂的制备方法的实现流程图;
图2是本发明实施例提供的采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油的实现方法的流程图;
图3是本发明实施例提供的文冠果生物柴油的红外光谱图;
图4是本发明实施例提供的文冠果生物柴油的气相色谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定发明。
图1示出了本发明实施例提供的生物柴油催化剂的制备方法的实现流程。
该生物柴油催化剂的制备方法包括以下步骤:
步骤S101,将ZrCl4粉末和硝酸镧La(NO3)3·6H2O溶于100ml的蒸馏水中,快速搅拌30min,使之均匀溶解,加入氨水作为沉淀剂,保持ph为碱性,生成白色Zr(OH)4沉淀,陈化24h,过滤洗涤,在102℃条件下干燥;
按物质的量比(10∶1、8∶1、5∶1、3∶1、1∶1)称取ZrCl4和硝酸镧La(NO3)3·6H2O溶于蒸馏水中,ZrCl4浓度控制在0.3-0.5mol/L。
步骤S101,用质量分数为85%的H3PO4溶液作浸渍剂,浸渍2h,抽滤除去浸渍液,干燥,通入氮气,在400-800℃温度下煅烧2h,得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,用自封袋封装,放入干燥器中保存。
在本发明实施例中,在步骤S101中,ZrCl4还可以采用Zr(NO3)4或ZrOCl2。
在本发明实施例中,在步骤S102中,稀土元素镧还可以由铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥,以及与镧系的15个元素密切相关的元素钪和钇代替。
图2示出了本发明实施例提供的采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油的实现方法的流程图。
在本发明实施例中,采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油的实现方法为:
步骤S201,向文冠果种仁油中加入甲醇和稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,水浴加热到75℃,反应5h;
步骤S202,反应后抽滤得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,干燥保存待用;
步骤S203,将滤液放入分液漏斗中沉淀分层,回收下层甘油,上层粗产品用蒸馏水清洗后,再无水硫酸钠除去水分,得到淡黄色清亮的文冠果生物柴油。
在本发明实施例中,采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成的文冠果生物柴油为多种脂肪酸甲酯的混合物。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例提供的生物柴油催化剂的合成步骤:称取一定量的ZrCl4粉末和硝酸镧La(NO3)3·6H2O,溶于100ml的蒸馏水中,快速搅拌30min,使之均匀溶解,加入氨水作为沉淀剂,保持ph为碱性,生成白色的Zr(OH)4沉淀,陈化24h,过滤洗涤,并在102℃干燥。然后用85%H3PO4的溶液作浸渍剂,浸渍2h,抽滤除去浸渍液,干燥,通入氮气,分别在400-800℃温度下煅烧2h,得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂复合材料,用自封袋封装,放入干燥器中保存。
本发明的工作原理为:两步沉淀-浸渍法主要由Zr(OH)4沉淀的形成和磷酸化试剂浸渍Zr(OH)4沉淀两步构成,采用ZrCl4、Zr(NO3)4或ZrOCl2等不同的前躯体,氨水或尿素作为沉淀试剂,H3PO4作为浸渍剂,引入稀土元素如镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽(、镝、钬、铒、铥、镱、镥,以及与镧系的15个元素密切相关元素的钪和钇,在400℃~800℃煅烧温度下,分别原位合成比表面积更高稀土镧(La)掺杂纳米PO4 3-/ZrO2的催化剂。
采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油的应用举例:称取50ml的文冠果油,加入一定量的甲醇和稀土镧(La)掺杂纳米PO42-/ZrO2催化剂放置三口烧瓶内,水浴加热到75℃,反应5h,反应后抽滤得到稀土镧(La)掺杂纳米PO42-/ZrO2催化剂,干燥保存待用。将滤液放入分液漏斗当中,分层,回收下层甘油,上层粗产品先用蒸馏水清洗,在用无水硫酸钠除去水分,最后得到淡黄的清亮的文冠果生物柴油。
如图3所示,用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成的文冠果生物柴油红外光谱中C-O-C在1300-1000cm-1区域内的不对称伸缩振动成为一个强而宽的峰称为酯带,它的强度几乎接近C=O的吸收峰,并且在1461.16cm-1处的吸收峰应属于甲氧基-OCH3中的碳氢键不对称弯曲振动吸收,因此,可以确定此产物为脂肪酸甲酯。在1745.86cm-1处有明显的酯键的伸缩振动吸收峰,2925.64cm-1和2854.64cm-1为C-H键的伸缩振动吸收峰,这些特征吸收峰表明文冠果生物柴油所含的主要官能团,证明在该催化剂作用下,可催化合成的文冠果生物柴油为多种脂肪酸甲酯的混合物。
如图4所示,采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成的文冠果生物柴油的气象色谱图也可以证明该催化剂可以催化合成文冠果生物柴油。
文冠果生物柴油的组分
用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂代替传统的均相催化剂,在合成生物柴油中有以下几个突出优点:
(1)引入系列稀土镧(La)元素对纳米PO4 2-/ZrO2催化剂进行改性,将功能组分均匀分散到二氧化锆网格结构中,制备出具有较高催化性能和高稳定性的稀土镧(La)固体超强酸催化剂,增加催化剂有效酸性位的数目,从而增加活性中心数目,提高催化剂的活性及选择性,以此来解决普通固体酸催化剂活性组分在反应中较易流失,特别是在较高温度条件下容易失活,催化效率不高等问题。
(2)稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂与产物的固液双相体系易于分离。
(3)反应后催化剂容易再生,可以重复使用。
(4)催化剂对反应设备没有严重的腐蚀。
(5)稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂合成文冠果生物柴油反应条件温和、操作易于实现自动化和连续化等。
本发明实施例提供的生物柴油催化剂的制备方法,首先称取一定量的ZrCl4粉末和硝酸镧La(NO3)3·6H2O,溶于100ml的蒸馏水中,快速搅拌30min,使之均匀溶解,加入氨水作为沉淀剂,保持ph为碱性,生成白色Zr(OH)4沉淀,陈化24h,过滤洗涤,在102℃条件下干燥;然后用质量分数为85%的H3PO4溶液作浸渍剂,浸渍2h,抽滤除去浸渍液,干燥,通入氮气,在400-800℃温度下煅烧2h,得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,用自封袋封装,放入干燥器中保存;采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油时,向文冠果种仁油中加入甲醇和稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,水浴加热到75℃,反应5h,反应后抽滤得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2 -/ZrO2的催化剂,干燥保存待用,将滤液放入分液漏斗中沉淀分层,回收下层甘油,上层粗产品用蒸馏水清洗后,再无水硫酸钠除去水分,得到淡黄色清亮的文冠果生物柴油;本发明通过使用稀土元素对纳米PO4 3-/ZrO2催化剂进行改性,将功能组分均匀分散到二氧化锆网格结构中,制备出具有较高催化性能和高稳定性的稀土固体超强酸催化剂,增加了催化剂有效酸性位的数目,从而增加活性中心数目,提高了催化剂的活性及选择性,较好地解决了普通固体酸催化剂活性组分在反应中较易流失,尤其是在较高温度条件下容易失活,催化效率不高的问题,实用性强,具有较强的推广与应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种生物柴油催化剂的制备方法,其特征在于,该生物柴油催化剂的制备方法包括以下步骤:
步骤一,将ZrCl4粉末和硝酸镧La(NO3)3·6H2O溶于蒸馏水中,快速搅拌30min,使之均匀溶解,加入氨水作为沉淀剂,保持ph为碱性,生成白色Zr(OH)4沉淀,陈化24h,过滤洗涤,在102℃条件下干燥;
步骤二,用质量分数为85%的H3PO4溶液作浸渍剂,浸渍2h,抽滤除去浸渍液,干燥,通入氮气,在400-800℃温度下煅烧2h,得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,用自封袋封装,放入干燥器中保存。
2.如权利要求1所述的生物柴油催化剂的制备方法,其特征在于,在步骤一中,ZrCl4还可以采用Zr(NO3)4或ZrOCl2。
3.如权利要求1所述的生物柴油催化剂的制备方法,其特征在于,在步骤二中,稀土元素镧还可以由铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥,以及与镧系的15个元素密切相关的元素钪和钇代替。
4.如权利要求1所述的生物柴油催化剂的制备方法,其特征在于,采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成文冠果生物柴油的实现方法为:
向文冠果种仁油中加入甲醇和稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,水浴加热到75℃,反应5h;
反应后抽滤得到稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2的催化剂,干燥保存待用;
将滤液放入分液漏斗中沉淀分层,回收下层甘油,上层粗产品用蒸馏水清洗后,再无水硫酸钠除去水分,得到淡黄色清亮的文冠果生物柴油。
5.如权利要求4所述的生物柴油催化剂的制备方法,其特征在于,采用稀土镧(La)掺杂纳米PO4 2-/ZrO2催化剂催化合成的文冠果生物柴油为多种脂肪酸甲酯的混合物。
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