基本信息
- 项目名称：
- 一种用于制备生物柴油的新型固体酸催化剂
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 以天然油脂及脂肪酸与低碳醇通过酯交换和酯化反应生产的生物柴油是环境友好的可再生能源。常见的液体酸碱催化反应过程存在一些废弃物，不符合绿色化工的需求。而固体酸作为制备生物柴油的一种新型催化剂，其研究对生物柴油的生产技术进步和应用推广都有重要意义。本课题选择多糖类物质作为制备催化剂的原料，经高温煅烧获得得无定性碳，然后用浓硫酸磺化来制备固体酸催化剂，并用其作为催化剂催化油酸和甲醇的酯化反应，获得良好的效果。其催化活性与H2SO4相似，并且整个反应过程无三废污染，催化剂可多次重复使用。经成本核算，采用固体酸催化剂工艺具有明显优势。
- 详细介绍：
- 1.本课题特点 利用来源广泛的生物质材料制备固体酸催化剂，从理论上来说，可以拓展酸催化在生物柴油制备过程中的应用，为生物柴油的催化理论提供新的基础数据和实验论证. 本课题利用自然界大量存在的多糖、葡萄糖和蔗糖等经过简单的灼烧磺化制备出性能突出的固体酸催化剂，该催化剂不溶于水、乙醇、甲醇、植物油脂和生物柴油。该催化剂主要用于催化脂肪酸和甲醇或乙醇的酯化反应，因此在生物柴油制备过程中，可用于降低油的酸值。利用该催化剂可将酸化油的酸值降低到5以下。该固体酸催化剂可重复使用、易分离、简化工艺过程等，从现实应用中来说，可大大降低生物柴油生产成本，并能使整个工艺过程更加绿色化，产生大量的经济和环保效益。 该技术可应用于相关企业提升产品效率，具有较大经济效益。可再生能源是国家能源政策高度重视的项目，生物柴油是可再生能源的重要品种，为保障我国国民经济持续稳定发展有重要意义。用这种固体酸催化剂制备的生物柴油排烟量少，成本比使用柴油低，有很好的经济和社会效益。 2．固体酸催化剂与传统催化剂的比较 目前用于制备生物柴油的催化剂除了固体酸催化剂外最常用的是均相酸碱催化剂。酸催化酯交换过程产率高,但反应速率慢,分离难且易产生三废。碱催化剂不能使用在游离酸较高的情况，游离酸的存在会使催化剂中毒，这样就缩小了可用原料的范围。水常常也是碱催化剂的毒物，水的存在会促使油脂水解而与碱生成皂。因此虽然均相酸碱作催化剂时，油的转化率高，但均相酸碱催化剂的弱点是催化剂不容易与产物分离，合成产物中存在的酸碱催化剂必须在反应后进行中和、水洗，从而产生大量的污水。均相酸碱催化剂随产品流出，不能重复使用，带来较高的催化剂成本。同时，酸碱催化剂对设备腐蚀问题也是值得关注的问题。而我们所使用的固体酸催化剂在反应条件下不容易失活,对油脂的质量要求不高,能催化酸值和含水量较高的油脂,催化剂易于与产品分离，可重复利用，催化过程中不产生废水，是环境友好型物质。但缺点是在催化油脂酯交换反应中反应时间较长,反应温度较高,反应物转化率不是很高。因此,固体酸催化剂适合以廉价的废餐饮油为原料生产生物柴油。综合考虑各种因素，我们认为固体酸催化剂是催化合成生物柴油的理想催化剂。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 制备出适合生物柴油生产使用的高效固体酸催化剂，能够将酸值降到5以下，转化率达到90%以上，并且能够多次重复使用，使生物柴油的生产工艺更加绿色化。 设计思路： 1、采用高温灼烧和磺酸基取代两步法制备固体酸催化剂，在前期实验基础上，重点考察原料（玉米粉、葡萄糖、糯米粉、蔗糖等）配比、灼烧温度、灼烧时间、洗涤条件、硫酸磺化条件(温度、时间、配比)对制得的固体酸催化剂特性的影响，利用统计学的方法获得最优的催化剂制备条件。 2、在制得的基础上，为便于催化剂的工业应用，进一步研究催化剂负载技术，选择多孔玻璃、多孔陶瓷和不同粒度的砂子进行负载型固体酸催化剂的制备工艺的研究。 3、研究制得的催化剂催化酯化和转酯化反应动力学，优化原料配比（醇、油和催化剂的配比）及相关反应条件（温度、时间）。 4、利用制得的固体酸催化剂进行多批次的重复催化实验，研究催化剂的失活规律和特性，进一步考察催化剂的复活方法。 创新点： 利用简单来源广泛的原料制备一种新型的固体酸催化剂，并将其应用于生物柴油的生产过程中，以克服传统的液体硫酸作为催化剂过程中的焦化、产生酸性废水污染环境和酸性甘油溶液难以重复利用的问题。 技术关键： 固体酸催化剂制备的工艺配方及优化工艺条件。 主要技术指标：转化率
科学性、先进性
- 目前用于制备生物柴油的催化剂除固体酸催化剂外最常用的是均相酸碱催化剂。酸催化酯交换过程产率高,但反应速率慢,分离难且易产生三废。碱催化剂不能使用在游离酸较高的环境，这样就缩小了可用原料范围。水是碱催化剂的毒物，水的存在会促使油脂水解而与碱生成皂。虽然均相酸碱作催化剂时，油的转化率高，但其不容易与产物分离，合成产物中存在的酸碱催化剂必须在反应后进行中和、水洗，从而产生大量的污水。均相酸碱催化剂随产品流出，不能重复使用，带来较高的催化剂成本。同时，酸碱催化剂对设备腐蚀问题也是值得关注的问题。而我们所使用的固体酸催化剂在反应条件下不容易失活,对油脂的质量要求不高,能催化酸值和含水量较高的油脂,催化剂易于与产品分离，可重复利用，催化过程中不产生废水，是环境友好型物质。但缺点是在催化油脂酯交换反应中反应时间较长,反应温度较高,反应物转化率不是很高。因此，固体酸催化剂适合以廉价的废餐饮油为原料生产生物柴油。 综合考虑各种因素，我们认为固体酸催化剂是催化合成生物柴油的理想催化剂。
获奖情况及鉴定结果
- 荣获“挑战杯”省大学生课外学术科技作品竞赛 特等奖 荣获“挑战杯”校大学生课外学术科技作品竞赛 特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术入股或一次性买断
作品可展示的形式
- 实物产品，图片，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 利用自然界大量存在的多糖和葡萄糖等经过简单的灼烧磺化制备性能突出的固体酸催化剂。该催化剂不溶于水、乙醇、甲醇、植物油脂和生物柴油，具有可重复使用、易分离、简化工艺过程等特点，可大大降低生物柴油生产成本，并使整个工艺过程更加绿色化。 适应范围： 主要用于催化脂肪酸和甲醇或乙醇的酯化反应，适合以廉价废餐饮油为原料生产生物柴油。 推广前景： 可应用于相关企业提升产品效率，且用该催化剂制备的生物柴油排烟量少，成本低，有很好的经济社会效益。 市场分析： 根据国务院领导指示精神，下阶段将重点推进生物柴油等生物石油替代品的发展。目前我国生物能源与生物化工产业处于起步阶段，有关财税扶持政策为其健康发展提供了有力保障。专家预测，到2010年，世界柴油需求量将从38%增加到45%，而柴油的供应量严重不足，这都为发展生物柴油提供了广阔的发展空间。 效益： 生物柴油是典型“绿色能源”，大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代和生态环境综合治理等方面有十分重大的战略意义。
同类课题研究水平概述
- 1、金属氧化物通常为高温下煅烧金属酸性氧化物而得Furuta等研究了WZA（钨酸化氧化锆-氧化铝）、SZA（硫酸化氧化锆）、STO（硫酸化氧化锡）3种固体酸催化剂的制备，并比较了3种催化剂催化大豆油和甲醇发生酯化和转酯化反应的性能。结果显示WZA的效果最好，在300 ℃下，催化剂质量分数为4%，醇油摩尔比为40：1，反应20 h，产率可达90%以上，并在100 h内具催化能力。经GC-MS分析检测，除甘油外，还检测到甘油一酯和甘油二酯。WZA不仅具有转酯化作用，还有高的酯化能力，200℃下，用WZA催化甲醇和n-辛酸发生酯化反应，20 h内反应完全。 2、硅酸盐是较常用的固体酸催化剂，但催化活性并不强。Anton等比较了3种硅酸盐催化剂：H-ZSM-5，Y和Beta，结果显示仅有1%～4%的转化率。其原因一方面是由于硅酸盐的酸性本身较弱，另一方面硅酸盐颗粒小孔内有较多亲水性基团，致使有机分子不能接近孔内的催化活性部位，仅有表面的催化活性基团参与反应。研究表明可通过调节SiO2/Al2O3的比例改善孔内的疏水特性，从而改善催化效果。Mbaraka等通过连接有机磺酸基团和疏水基团来增强酸性和疏水特性，制备了有机无机酸杂合催化剂SBA-15-SO3H，以含1200 mg/L水的原油为原料，85 ℃下催化2 h，转化率可达74%。 3、磺化无定形碳，通过煅烧葡萄糖、淀粉或芳香族化合物（如萘等）等形成无定形碳组织，再接上磺酸基团制备而得。煅烧后形成的芳香环无定形碳具有较大的比表面积，且呈现较强的疏水特性，磺化后具有酸性的活性中心，使其成为良好的固体酸催化剂，本课题即采用此法。
