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生物柴油磁性纳米固体碱催化剂的构建及作用机理

郭萍梅  
【摘要】: 目前生物柴油生产技术主要采用的是液体碱催化酯交换转化技术,该技术存在对设备腐蚀性强、催化剂不能回收、污染环境等问题。而固体催化转化技术是有效解决途径之一,但存在催化剂与产物分离困难、催化剂活性不高等问题。磁性纳米固体催化剂实现了将优异性能的磁性材料与活性物质的组装,具有催化活性高、可重复使用、回收快速简便等优点,近年来成为催化领域研究热点之一。 本文针对生物柴油绿色催化转化中存在的关键技术问题,设计制备了磁性纳米固体碱催化剂Na_2O SiO_2/Fe_3O_4,采用多种手段对其进行了表征,结果表明其催化性能优于目前国内外报道的同类催化剂;研究建立了磁性纳米固体碱催化油脂酯交换反应动力学模型,并探讨其催化机理;首次将磁性纳米固体碱催化剂应用于磁稳定床中制备生物柴油,通过与现行工艺对比,结果证明磁稳定床可显著提高催化剂的使用效率,降低催化剂的消耗。具体研究结果如下: 1、优化确定了共沉淀法制备纳米磁性物质Fe_3O_4的工艺条件,并制备出具有较好磁性和顺磁性的Fe_3O_4纳米粒子。 2、筛选优化确定模数为1的硅酸钠溶液为最合适的固体碱活性物质前体,并采用热分析、X射线衍射、红外表征后得出其碱活性位点为Si-O-Na键。 3、研究确定了催化剂的最佳制备方法并对其工艺参数进行了优化,采用多种手段对其结构和性能进行表征,制备得到平均粒径87.6nm、比表面积为107.9m~2/g的磁性纳米固体碱催化剂Na_2O SiO_2/Fe_3O_4。 4、优化了在釜式搅拌反应器中磁性纳米固体催化剂催化棉籽油酯交换制备生物柴油的工艺条件,首次转化率98%以上,催化剂反复使用11次后,催化活性90%以上;优化并确定了催化剂最佳再生工艺参数,再生催化剂首次转化率98%以上,重复使用8次后,活性90%以上,催化剂的回收率为88.3%,磁回收率为86.4%。与国内外相关研究对比,本文研制的催化剂活性高、使用周期长、反应条件温和,反应时间短。 5、以棉籽油为原料的酯交换生成反应动力学研究结果表明,主要产物的生成反应分为初始阶段、增长阶段和平衡阶段。酯交换反应速率对棉籽油浓度由初始阶段的拟0.5级反应,逐步转变为增长阶段的拟2级反应,最终转化为平衡阶段的零级反应。初始阶段十六酸甲酯、十八酸甲酯和二十酸甲酯反应活化能分别为103.4kJ/mol、154.4kJ/mol、102.6kJ/mol;增长阶段分别为50.4kJ/mol、52.2kJ/mol、43.2kJ/mol。探讨了磁性纳米固体碱Na_2O SiO_2/Fe_3O_4催化棉籽油与甲醇的酯交换反应机理。 6、研究了将磁性纳米固体碱催化剂应用于磁稳定床中催化酯交换制备生物柴油,结果表明,在优化的操作条件下,催化剂连续使用210h后,催化活性90%以上。


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