CN113477260A - 一种催化剂及利用该催化剂制备生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种催化剂，通过以下方法制备得到：将电炉粉尘利用球磨机进行研磨，过75‑400目筛；过筛后的电炉粉尘至于烘箱中在75‑105℃条件烘干5‑48h，得到预处理后的电炉粉尘；取预处理后的电炉粉尘和钠盐溶液置于橡胶密封的玻璃瓶中，于油浴锅中在55～105℃条件下磁力搅拌0.5～5h，得到的样品于烘箱中75～105℃烘干4h以上，并过75‑400目筛，即获得所需钠‑电炉粉尘催化剂。该催化剂同时具有酸性和碱性，可以通过静置与液体产物自动分离。可以直接用于低酸值油的反应，催化效果非常好，生物柴油得率>95％，催化剂回收率>90％。且循环使用能力较优，15次反应后生物柴油产率还能达到90％以上。

Description

一种催化剂及利用该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用催化剂及生物柴油的制备方法，具体是涉及一种利用电炉粉尘制备的催化剂以及利用该催化剂制备生物柴油的方法。
背景技术
当前，人类社会严重依赖化石燃料获取能量。化石燃料的燃烧导致生态环境遭到破坏，雾霾、温室效应、环境污染等问题严重影响着人们的生活和健康。化石燃料的日渐枯竭使得人们意识到开发清洁、环保、绿色的可再生能源具有非常重要的意义。生物柴油是植物油、动物油、餐饮废弃油和低价醇在酸性和碱性催化剂的作用下，通过酯交换反应制得的可再生燃料，近年来受到广泛的关注。生物柴油的理化性质和石化柴油十分相似，可以直接添加在发动机中使用，无需对发动机进行改造。生物柴油燃烧过程具有碳烟和聚合物颗粒等不可燃烧物的含量较少、气体中硫化物和芳香烃含量较低、二氧化碳几乎近零排放等优点，使得生物柴油成为最佳的石化柴油替代品之一。
为了提高生物柴油的转化率，合适的高效催化剂将是生物柴油制备的关键。传统的预处理方法选用均相酸催化剂来催化游离脂肪酸完成酯化，但均相酸具有不可重复使用，而且反应速率较慢，反应温度较高，所需时间较长，均相酸和产物的分离提纯复杂，均相酸对环境存在腐蚀和排放危害等问题。均相碱催化的酯交换速率是酸催化的4000倍，但是容易发生水解、皂化反应。所以用两性固体催化剂取代均相酸、均相碱催化剂被广泛关注。例如专利CN106179496A、CN106191327A和CN106222314A公布了一些碳基固体酸催化剂的制备方法以及在生物柴油合成中的应用。但这些碳基固体酸往往表面酸度低，使得酯化反应的温度较高，耗时较长，催化剂回收困难，经济成本也随之增加。
发明内容
为解决上述问题，本发明拟通过制备得到具有高催化活性及重复利用率的催化剂实现生物柴油的高转化率。
除非另有说明，本发明所采用的百分数均为质量百分数。
本发明的目的之一在于提供一种铁含量高的磁性催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)电炉粉尘预处理：
①将电炉粉尘利用球磨机进行研磨，过75-400目筛；
②过筛后的电炉粉尘至于烘箱中在55-105℃条件烘干5h以上，得到预处理后的电炉粉尘；
(2)电炉粉尘活化制备固体催化剂：
①用电炉粉尘质量的1.2-1.5倍钠盐浸渍预处理后的电炉粉尘，于油浴锅中在65-85℃条件下磁力搅拌1-4h，得到的样品于烘箱中在65-85℃条件烘干4-12h，烘干的样品过75～400目筛，即获得所需钠-电炉粉尘催化剂。
进一步的，以元素计，所述电炉粉尘的组分包括：Fe：53.23～54.84％， Mg：0.45～0.55％，Zn：1.28～1.42％，Ca：1.45～1.65％，Mn：0.95～1.08％， Al：0.20～0.25％，Na：0.20～0.25％。
本发明的另一目的在于提供一种催化剂，所述催化剂由前述方法制备得到，以重量计，所述催化剂中钠盐的含量为48～64％，电炉粉尘含量为36～ 52％，所述电炉粉尘的组分包括：Fe：53.23～54.84％，Mg：0.45～0.55％，Zn：1.28～1.42％，Ca：1.45～1.65％，Mn：0.95～1.08％，Al：0.20～0.25％， Na：0.20～0.25％。
本发明的再一目的在于提供一种前述电炉粉尘催化剂在生物柴油制备中的应用。
本发明的又一目的在于提供一种生物柴油的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：
(1)将油与低碳醇按n油:n醇＝1：(15-25)mol的摩尔比在反应容器中混合，然后按照相对于油6-9％的剂量加入前述催化剂；
(2)密封反应容器，在65-75℃反应2-3h；
(3)反应结束后，上层是醇和副产物，中层为生物柴油，催化剂位于下层，静置后催化剂与液体产物自动分离，移出液体产物，催化剂留在反应容器以备再次利用。
进一步的，所述的油为市售的或者是工业生产的、可食用的(包括但不限定于大豆油)或者不可食用的油脂。
进一步的，所述的低碳醇包括但不限定于甲醇。
研究表明，本专利催化剂载体的孔径和比表面积对催化剂的负载有着显著的影响，为了充分提高催化剂的催化效率，本申请意外地发现将以钠盐浸渍经预处理的电炉粉尘时，将浸渍温度控制在65-75℃区间内，随着温度的升高催化剂的孔径和比表面积呈现增长的态势，当温度高于75℃时由于颗粒表面形状的变化，导致比表面积开始下降，钠盐无法进入电炉粉尘内部形成稳定结构，基于本发明实际的催化效果所需，选择温度控制在65-85℃为宜。
研究表明，本专利催化剂载体的粒径和比表面积在浸渍时间为2小时以内时，随着浸渍时间的增加，载体比表面积和孔径呈增加的态势，然而，当浸渍时间超过2小时后，载体比表面积和孔径开始下降，基于本发明实际的催化效果所需，选择浸渍时间控制在1-4h为宜。
研究表明，生物柴油的产率与反应温度有着密切关系，基于本发明的体系，在65℃以下时，生物柴油随温度的升高而升高，超过65℃开始呈现降低的趋势，综合本发明的催化剂粒径、比表面积生物柴油产率等因素的考量，将反应温度控制在65-75℃为宜。
研究表明，当反应时间小于2h时，生物柴油的产率随时间的增加而升高，大于2h后则出现降低趋势，这是因为反应时间超过最佳反应时间后反应开始逆向进行进而导致产率下降，综合本发明的催化剂粒径、比表面积生物柴油产率等因素的考量，将反应时间控制在2-3h为宜。
相对于现有技术，本发明具有如下优点:
1、本专利以电炉粉尘为原料，通过钠盐浸渍电炉粉尘在高温加热的条件下磁力搅拌并控制浸渍相关工艺参数促进相关晶相转变即可获得高催化活性的催化剂；同时由于电炉粉尘中含有的三氧化二铁，四氧化三铁等物质，并且通过钠盐浸渍所得到的催化剂同时具有酸性和碱性。
2、本专利合成的电炉粉尘催化剂可以在反应后与液体产物自动分离，催化剂收得率≥91％。
3、本专利合成的电炉粉尘催化剂在生物柴油制备中具有非常好的催化活性和应用价值，生物柴油得率≥93％。并且该催化剂可以直接用于不可食用的低酸值油脂的反应，同样也能达到前述催化效果。
4、本专利合成的电炉粉尘催化剂的循环使用能力较优，15次反应后生物柴油的产率还能达到90％以上。
5、本专利通过回收利用电炉粉尘实现了资源回收再利用同时还有效减少环境污染。
6、本专利通过更改钠盐浸渍浓度、浸渍时间和浸渍温度，获得结构合理，催化活性较强的催化剂。钠盐浸渍浓度、浸渍温度和浸渍时间调控可改变电炉粉尘载体比表面积和孔径，增加催化剂稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但实施例并不是对本发明技术方案的限定。
实施例1-7
取Fe：54.84％，Mg：0.55％，Zn：1.42％，Ca：1.65％，Mn：1.08％， Al：0.25％，Na：0.25％的电炉粉尘利用球磨机进行研磨，研磨后粉尘过200 目筛，过筛后粉尘至于烘箱中在105℃条件烘干5h，获得干燥后颗粒均匀的电炉粉尘原料。获得干燥后颗粒均匀的电炉粉尘原料通过碳酸钠的浸渍置于油浴锅中磁力搅拌，设置合适的浸渍温度和时间，得到的样品干燥后过200 目筛，获得钠-电炉粉尘催化剂。其中实施例1-9的参数及效果如表1所示。
表1实施例1-9的参数及效果
Figure RE-GDA0003233162640000051
Figure RE-GDA0003233162640000061
经测量，电炉粉尘原料小颗粒金属盐的粒径约为200nm；实施例1得到的催化剂小颗粒金属盐的粒径约为300nm；实施例2得到的催化剂小颗粒金属盐的粒径约为300nm。
实施例10
重复实施例2，有以下不同点：电炉粉尘的组分Fe：54.54％，Mg：0.50％， Zn：1.38％，Ca：1.60％，Mn：1.00％，Al：0.23％，Na：0.24％。得到的催化剂小颗粒金属盐的粒径约为300nm，经测定催化剂酸度为0.15mmol/g，碱度为0.33mmol/g，载体比表面积为2.80m2/g，载体孔径为7.92nm。
实施例11
重复实施例2，有以下不同点：电炉粉尘的组分Fe：54.50％，Mg：0.48％， Zn：1.34％，Ca：1.57％，Mn：0.98％，Al：0.21％，Na：0.23％。得到的催化剂小颗粒金属盐的粒径约为300nm，经测定催化剂酸度为0.13mmol/g，碱度为0.31mmol/g，载体比表面积为2.78m2/g，载体孔径为7.86nm。
实施例12-28
采用实施例1-9制备的钠-电炉粉尘催化剂用于催化大豆油制备生物柴油的方法，包括按照醇油比例，向橡胶密封的玻璃瓶中加入的大豆油、甲醇和钠-电炉粉尘催化剂，进行反应，即获得生物柴油-甲醇混合产物，钠-电炉粉尘催化剂可通过静置分离进行回收。相关工艺参数及效果如表2所示。
表2实施例12-28的工艺参数及效果
Figure RE-GDA0003233162640000071
Figure RE-GDA0003233162640000081
实施例29-32
重复实施例21的方法步骤及参数，不同之处在于：所采用的催化剂如表4所示。经测定，生物柴油产率如表3所示。
表3实施例42-45的工艺参数及效果
实施例 催化剂来源 生物柴油产率
29 实施例13回收得到 96.5％
30 实施例26回收得到 94.1％
31 实施例27回收得到 92.6％
32 实施例28回收得到 91.2％
对比例1-2
取Fe：54.84％，Mg：0.55％，Zn：1.42％，Ca：1.65％，Mn：1.08％， Al：0.25％，Na：0.25％的电炉粉尘利用球磨机进行研磨，研磨后粉尘过200 目筛，过筛后粉尘至于烘箱中在105℃条件烘干5h，获得干燥后颗粒均匀的电炉粉尘原料。获得干燥后颗粒均匀的电炉粉尘原料通过碳酸钠的浸渍置于油浴锅中磁力搅拌，设置合适的浸渍温度和时间，得到的样品干燥后过200 目筛，获得钠-电炉粉尘催化剂。其中对比例1-2的参数及效果如表4所示。
表4对比例1-2的工艺参数及效果
Figure RE-GDA0003233162640000091
对比例3-5
采用钠-电炉粉尘催化剂用于催化大豆油制备生物柴油的方法，包括按照醇油比例，向橡胶密封的玻璃瓶中加入的大豆油、甲醇和钠-电炉粉尘催化剂，进行反应，即获得生物柴油-甲醇混合产物，钠-电炉粉尘催化剂可通过静置分离进行回收。相关工艺参数及效果如表5所示。
表5对比例3-4的工艺参数及效果
Figure RE-GDA0003233162640000092

Claims (9)

1.一种铁含量高的磁性催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
用电炉粉尘质量的1.2-1.5倍钠盐浸渍预电炉粉尘，在65-85℃条件下磁力搅拌1-4h，得到的样品进行烘干，即获得所需钠-电炉粉尘催化剂。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在制备催化剂前对电炉粉尘预处理步骤：
①将电炉粉尘利用球磨机进行研磨；
②研磨后的电炉粉尘进行烘干，得到预处理后的电炉粉尘。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以元素计，所述电炉粉尘的组分包括：Fe：53.23～54.84％，Mg：0.45～0.55％，Zn：1.28～1.42％，Ca：1.45～1.65％，Mn：0.95～1.08％，Al：0.20～0.25％，Na：0.20～0.25％。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述得到的样品进行烘干步骤的具体参数为：在65-85℃条件烘干4-12h，所述磁力搅拌的温度控制工况为油浴。
5.一种催化剂，所述催化剂由权利要求1-4任一项所述的方法制备得到，其特征在于，以重量计，所述催化剂中钠盐的含量为48～64％，电炉粉尘含量为36～52％，所述电炉粉尘的组分包括：Fe：53.23～54.84％，Mg：0.45～0.55％，Zn：1.28～1.42％，Ca：1.45～1.65％，Mn：0.95～1.08％，Al：0.20～0.25％，Na：0.20～0.25％。
6.一种如权利要求5所述的电炉粉尘催化剂在生物柴油制备中的应用。
7.一种生物柴油的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
(1)将油与低碳醇按n油:n醇＝1：(15-25)的摩尔比在反应容器中混合，然后按照相对于油6-9％的剂量加入前述催化剂；
(2)密封反应容器，在65-75℃反应2-3h；
(3)反应结束后，静置后催化剂与液体产物自动分离，移出液体产物，催化剂留在反应容器以备再次利用。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的油包括可食用的油脂或者不可食用的油脂。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述的低碳醇包括甲醇。
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Assignee: TANGSHAN XIRUI AUTOMATION EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: NORTH CHINA University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023110000016

Denomination of invention: A catalyst and a method for preparing biodiesel using the catalyst

Granted publication date: 20220422

License type: Common License

Record date: 20230131