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固体超强酸SO_4~(2-)/ZrO_2-CeO_2的制备及在生物柴油中的应用

李秀凤

  能源、环境和气候是21世纪人类面临的三大问题。煤炭、石油、天然气是人类生存和发展的重要物质基础。然而,化石能源的不可再生性和人类的巨大消耗,使其正在逐渐走向枯竭。据估计,按世界化石能源的探明储量,石油最多可再用50年,天然气可用60年,煤可供应160年。而且化石能源的使用会造成环境污染和全球气候变暖,这些引起了世界各国的关注。在这种情况下,各国都加快了风能、太阳能、核能和生物质能等新能源的研发步伐,生物质能由于其可再生性以及良好的环境友好性,成为各国研究的重点。生物柴油便是其中的一种。生物柴油又称脂肪酸甲酯,是以动植物油脂或餐饮废油等为原料油通过酯化或酯交换工艺制成的可代替石化柴油的新型清洁燃料,可用于锅炉、涡轮机、柴油机等。 制备生物柴油的催化剂分为均相催化剂和非均相催化剂,均相催化反应速度快,转化率高,但催化剂分离难、废液多、副反应多、对设备有腐蚀;非均相催化剂不仅可以解决均相催化剂的这些问题,且具有反应条件温和、稳定性好、可再生等优点。因此非均相催化剂催化制备生物柴油是目前研究的热点。本论文旨在制得一种用于催化制备生物柴油的高催化活性的固体超强酸催化剂SO42-/ZrO2-CeO2。 首先将自制固体超强酸SO42-/ZrO2-CeO2用于油酸与甲醇的酯化反应。通过单因素试验,讨论了反应温度、反应时间、催化剂用量及醇酸体积比等因素对酯化率的影响;并进行了动力学分析,动力学计算表明,油酸和甲醇酯化反应的反应级数为1.46,活化能为27.35kJ/mol,动力学模型为(?)=68.27e(?) 其次,为了获得更高的催化性能,以相同反应条件下小桐子油脂肪酸和甲醇酯化制备生物柴油产率的高低作为评价催化剂活性的指标,分别对催化剂制备过程中的Ce02负载量、氨水浓度、浸渍液浓度、滴定终点pH、陈化时间、焙烧温度等12个条件经行了优化,并借助XRD、BET、TEM、TG、TPD、FTIR等多种表征手段对催化剂进行表征及分析,结果表明,Ce02的加入能提高固体酸S042-/Zr02的催化活性;生物柴油产率随陈化时间的延长而升高,但超过24小时以后基本无影响;在湿气氛中焙烧会导致催化剂比表面积的下降;氨水浓度、浸渍液浓度、焙烧温度影响酸中心的强度;焙烧时间影响催化剂酸中心的数量;与有预焙烧相比,无预焙烧制得的催化剂性能更佳等。最佳制备方法是:CeO2负载量为5%,用25%的浓氨水速度由慢到快进行滴定,滴定终点pH值为8.6左右,常温陈化24h,研磨至100目,用0.5mol/L的H2SO4浸渍1h,500℃焙烧3h. 最后,按最优制备条件制得催化剂用于催化小桐子油脂肪酸和甲醇的酯化反应,同样进行了单因素和动力学分析。结果表明该反应的反应级数为1.44,活化能为Ea=45.31kJ/mol,动力学模型为(?)。使用超高效液相色谱(UPLC)对小桐子油脂肪酸的组成进行了定性及定量分析,得出小桐子油脂肪酸主要由油酸、亚油酸、棕榈酸和硬脂酸组成。……   
[关键词]:固体超强酸;小桐子油脂肪酸;油酸;生物柴油;酯化反应;UPLC
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:昆明理工大学2010年