CN102698813B - 一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法及以餐饮废油为原料合成生物柴油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法及以餐饮废油为原料合成生物柴油的方法。用废油和甲醇为原料，按甲醇：废油的质量比为1：1，催化剂与废油的质量比为10％～15％，配料后加入带回流的微波反应器中，反应压力为常压，反应温度65～70℃，微波功率350w，搅拌开至600rpm·min-1，反应时间120-150min；反应结束后离心分离除去催化剂，得到粗品生物柴油，用蒸馏水洗涤静置，得到油相在60-250℃连续减压蒸馏即得生物柴油。本发明的多功能固体超强酸催化剂，在微波加热辐射下，可高效催化餐饮废油转化为生物柴油，且可以有效的防止反应体系中水、游离脂肪酸对催化剂酸性位的破坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法及以餐饮废油为原料合成生物柴油的方法。
背景技术
用餐饮废油代替植物油为原料合成生物柴油，可降低生物柴油的生产成本。相比较于植物油，餐饮废油具有酸值高、含水的特点，可使用酸催化剂催化废油脂转化成生物柴油的一步法，也可采用酸、碱催化剂联合使用的两步法合成生物柴油。传统的均相酸催化剂如硫酸、盐酸等存在难与反应体系分离，且催化剂不能回收重复利用等缺点。固体超强酸由于其酸强度高，反应温度低，且易于反应体系分离、可回收重复再利用等优点，其研究与使用越来越受到人们的重视。
但是，相比较于均相酸，固体酸(包括固体超强酸)催化剂存在催化活性低，酸性位遇水易失活的问题。为此，开发一种多功能固体超强酸催化剂，将其用于催化餐饮废油合成生物柴油。该催化剂具有吸微波性能及疏水性能，在微波加热下使用该催化剂，可吸收微波能，从而强化催化反应的进行，此外，该催化剂还具有疏水性能，可抑制反应体系中的水、游离脂肪酸对其酸性位的破环。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法，能够在用餐饮废油为原料合成生物柴油中作为催化剂使用并提高反应效率；
本发明的目的之二是提供一种高效率的以餐饮废油为原料合成生物柴油的方法。
一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
(1)制备吸微波固体超强酸：
分别取粒径在0.1mm的石墨颗粒和碳化硅颗粒，按照石墨与碳化硅的质量比1：4进行球磨混合，得到石墨-碳化硅混合物待用；
按照100g/L的用量将ZrOCl2·8H2O加人蒸馏水中充分溶解得到溶液，然后按照20g/L的用量将石墨-碳化硅混合物加入该溶液中搅拌混合均匀，之后在搅拌转速400rpm·min-1下滴加浓氨水调节溶液PH值为PH=8.2，生成包覆了石墨-碳化硅混合物的Zr(OH)4沉淀，直至滴加氨水无新沉淀生成时停止，然后放置24h进行陈化；
然后进行反复抽滤、洗涤直至无氯离子，将得到的滤饼在110℃下真空烘干至质量恒定，将得到的固体物质按100g/L用量与1.5mol·L-1硫酸溶液在30℃下搅拌混合24h，搅拌速率200rpm·min-1，之后分离除去硫酸溶液，置于110℃下烘干24h得到固体物质，将该固体物质在550℃氮气保护，常压下焙烧4h后，在氮气保护下冷却至室温，即得到吸微波固体超强酸；
(2)制备多功能固体超强酸催化剂：
将粉末状5A分子筛在110℃下真空烘干10h，在干燥箱内冷却至室温，按照40g/L的用量将分子筛分别加入三甲基氯硅烷、二甲基氯硅烷中，抽真空下以200rpm·min-1速率搅拌5h，分离除去分子筛，按照体积比为1： 1的比例混合，制得三甲基氯硅烷-二甲基氯硅烷混合液待用；
按照100g/L的用量将吸微波固体超强酸加入到三甲基氯硅烷-二甲基氯硅烷混合液中，在30℃，抽真空下以200rpm·min-1速率搅拌混合10h，之后分离得到固体，固体在50℃下真空干燥5小时，真空冷却至室温，即得到多功能固体超强酸催化剂。
步骤(1)中石墨颗粒和碳化硅颗粒的制备方法如下，先进行石墨的预处理，即将块状石墨通过石墨粉碎机粉碎成颗粒，过筛得到粒径在0.1mm的颗粒，用蒸馏水洗涤三遍，过滤，100℃烘干至质量恒定不变；将碳化硅过筛得到粒径在0.1mm的颗粒，用蒸馏水洗涤三遍，过滤，100℃烘干至质量恒定不变。
步骤(1)中得到吸微波固体超强酸和步骤(2)中得到的多功能固体超强酸催化剂，用Hammett法测量其酸强度为H0<-12.7。
一种以餐饮废油为原料合成生物柴油的方法，其特别之处在于，包括如下步骤：采用权利要求1至3中任意一项的催化剂，用废油和甲醇为原料，按甲醇：废油的质量比为1：1，催化剂与废油的质量比为10％～15％，配料后加入带回流的微波反应器中，反应压力为常压，反应温度65～70℃，微波功率350w，搅拌开至600rpm·min-1，反应时间120-150min；反应结束后离心分离除去催化剂，得到粗品生物柴油，用蒸馏水洗涤静置，得到油相在60-250℃连续减压蒸馏即得生物柴油。
其中以含水量1.2wt％-2.3wt％，酸值4.87mgKOH·g-1-15.16mgKOH·g-1的废油为原料。
本发明的多功能固体超强酸催化剂，在微波加热辐射下，可高效催化餐饮废油转化为生物柴油，且可有效防止反应体系中水、游离脂肪酸对催化剂酸性位的破坏。使用本发明催化剂在用餐饮废油为原料合成生物柴油中使用能够明显提高反应效率。
具体实施方式
实施例1：
本发明公开了一种用于餐饮废油合成生物柴油的多功能固体酸催化剂，催化剂的制备方法是：
进行石墨的预处理，将块状石墨通过石墨粉碎机粉碎成颗粒，过筛得到粒径在0.1mm的颗粒，用蒸馏水洗涤三遍，过滤，100℃烘干至质量恒定不变。将碳化硅过筛得到粒径在0.1mm的颗粒，用蒸馏水洗涤三遍，过滤，100℃烘干至质量恒定不变。将上述处理过的石墨与碳化硅按1：4(质量比)比例进行球磨混合(即通过球磨简单混合在一起)，得到石墨-碳化硅混合物。
按照100g/L的用量将ZrOCl2·8H2O加人蒸馏水中搅拌溶解，待溶解完后，按照20g/L的用量将石墨-碳化硅混合物加入ZrOCl2溶液中搅拌混合均匀，之后在搅拌转速为400rpm·min-1下滴加浓氨水(NH3质量含量为25～28％)调节溶液值为PH=8.2，生成包覆了石墨-碳化硅混合物的Zr(OH)4沉淀，直至滴加氨水再无新的沉淀生成则结束氨水滴加，混合物放置24h进行陈化。
之后用去离子水进行多次抽滤、洗涤，直至无氯离子。将得到的滤饼在110℃下真空烘干至质量恒定得到固体物质，将固体物质按100g/L用量与1.5mol·L-1硫酸溶液在30℃下搅拌混合24h，搅拌速率200rpm·min-1，之后分离除去过量的硫酸溶液，得到的试样在110℃下烘干24h得到固体物质，将该固体物质在550℃氮气保护、常压下焙烧4h后，氮气保护冷却至室温，用Hammett法测量其酸强度，H0<-12.7，属于固体超强酸，即得到吸微波固体超强酸，记为S。
将粉末状5A分子筛在110℃下真空烘干10h，在干燥箱内冷却至室 温，按照40g/L用量将分子筛分别加入三甲基氯硅烷、二甲基氯硅烷中，分别在抽真空下以200rpm·min-1速率搅拌混合5h，分别分离除去分子筛，按照体积比为1：1的比例混合配制三甲基氯硅烷-二甲基氯硅烷混合液。
按照100g/L的用量将上面得到的固体S加入到三甲基氯硅烷-二甲基氯硅烷混合液中，30℃，抽真空下以200rpm·min-1速率搅拌混合10h，之后分离得到固体，固体在50℃下真空干燥5小时，真空下冷却至室温，用Hammett法测量其酸强度，H0<-12.7，即得到多功能固体超强酸催化剂。
采用本发明的催化剂，以含水1.2％(重量比)、酸值为5.66mgKOH·g-1的废油，甲醇为原料合成脂肪酸甲酯。反应温度65℃，甲醇：废油的质量比为1：1，催化剂/废油质量比为0.1，常压下反应，搅拌开至600rpm·min-1，反应时间120min。将50g废油，相应比例的甲醇、催化剂加入带有冷凝的三口烧瓶中，至于微波反应器中，冷凝水温度控制在-5-0℃，在上述反应条件下反应至规定时间。反应结束后离心分离除去催化剂，得到粗品生物柴油，用蒸馏水洗涤静置，得到油相在60-250℃连续减压蒸馏即得生物柴油。
用高效液相色谱分析表明，生物柴油收率81％。同样反应条件下，采用未加微波吸收材料、只进行疏水性处理的相同固体超强酸为催化剂，生物柴油收率仅为52％，采用加了微波吸收材料，未进行疏水性处理的相同固体超强酸为催化剂，生物柴油收率为74％。
实施例2
采用本发明的催化剂，以含水2.3％(重量比)、酸值为4.87mgKOH·g-1的废油，甲醇为原料合成脂肪酸甲酯。反应温度70℃，甲醇：废油的质量比为1：1，催化剂/菜籽油质量比为0.15，常压下反应，搅拌开至70％强度，反应时间150min。其余部分与实施例1相同，反应结束后分离除去催 化剂，得到粗品生物柴油，用蒸馏水洗涤静置，得到油相在60-250℃连续减压蒸馏即得生物柴油。用高效液相色谱分析表明，生物柴油收率75％。
实施例3
采用本发明的催化剂，以含水1.4％(重量比)、酸值为15.16mgKOH·g-1的废油，甲醇为原料合成脂肪酸甲酯。反应温度70℃，甲醇：废油的质量比为1：1，催化剂/菜籽油质量比为0.15，常压下反应，搅拌开至70％强度，反应时间150min。其余部分与实施例1相同，反应结束后分离除去催化剂，得到粗品生物柴油，用蒸馏水洗涤静置，得到油相在60-250℃连续减压蒸馏即得生物柴油。用高效液相色谱分析表明，生物柴油收率77％。
Claims (5)
1.一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备吸微波固体超强酸：
分别取粒径在0.1mm的石墨颗粒和碳化硅颗粒，按照石墨与碳化硅的质量比1：4进行球磨混合，得到石墨-碳化硅混合物待用；
按照100g/L的用量将ZrOCl2·8H2O加人蒸馏水中充分溶解得到溶液，然后按照20g/L的用量将石墨-碳化硅混合物加入该溶液中搅拌混合均匀，之后在搅拌转速400rpm·min-1下滴加浓氨水调节溶液pH值为pH=8.2，生成包覆了石墨-碳化硅混合物的Zr(OH)4沉淀，直至滴加氨水无新沉淀生成时停止，然后放置24h进行陈化；
然后进行反复抽滤、洗涤直至无氯离子，将得到的滤饼在110℃下真空烘干至质量恒定，将得到的固体物质按100g/L用量与1.5mol·L-1硫酸溶液在30℃下搅拌混合24h，搅拌速率200rpm·min-1，之后分离除去硫酸溶液，置于110℃下烘干24h得到固体物质，将该固体物质在550℃氮气保护，常压下焙烧4h后，在氮气保护下冷却至室温，即得到吸微波固体超强酸；
（2）制备多功能固体超强酸催化剂：
将粉末状5A分子筛在110℃下真空烘干10h，在干燥箱内冷却至室温，按照40g/L的用量将分子筛分别加入三甲基氯硅烷、二甲基氯硅烷中，抽真空下以200rpm·min-1速率搅拌5h，分离除去分子筛，按照体积比为1：1的比例混合，制得三甲基氯硅烷-二甲基氯硅烷混合液待用；
按照100g/L的用量将吸微波固体超强酸加入到三甲基氯硅烷-二甲基氯硅烷混合液中，在30℃，抽真空下以200rpm·min-1速率搅拌混合10h，之后分离得到固体，固体在50℃下真空干燥5小时，真空冷却至室温，即得到多功能固体超强酸催化剂。
2.如权利要求1所述的一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中石墨颗粒和碳化硅颗粒的制备方法如下，先进行石墨的预处理，即将块状石墨通过石墨粉碎机粉碎成颗粒，过筛得到粒径在0.1mm的颗粒，用蒸馏水洗涤三遍，过滤，100℃烘干至质量恒定不变；将碳化硅过筛得到粒径在0.1mm的颗粒，用蒸馏水洗涤三遍，过滤，100℃烘干至质量恒定不变。
3.如权利要求1所述的一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中得到吸微波固体超强酸和步骤（2）中得到的多功能固体超强酸催化剂，用Hammett法测量其酸强度为H0<-12.7。
4.一种以餐饮废油为原料合成生物柴油的方法，其特征在于，包括如下步骤：采用权利要求1至3中任意一项所述的一种多功能固体超强酸催化剂的制备方法制备出的催化剂，用废油和甲醇为原料，按甲醇：废油的质量比为1：1，催化剂与废油的质量比为10%～15%，配料后加入带回流的微波反应器中，反应压力为常压，反应温度65～70℃，微波功率350w，搅拌开至600rpm·min-1，反应时间120-150min；反应结束后离心分离除去催化剂，得到粗品生物柴油，用蒸馏水洗涤静置，得到油相在60-250℃连续减压蒸馏即得生物柴油。
5.如权利要求4所述的一种以餐饮废油为原料合成生物柴油的方法，其特征在于：其中以含水量1.2wt%-2.3wt%，酸值4.87mgKOH·g-1-15.16mgKOH·g-1的废油为原料。
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