鄭艷萍,劉芳,孫看軍,趙國(guó)虎,徐飛,李紅彪

(蘭州城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

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利用棉籽油和餐飲廢油混合物制備生物柴油

鄭艷萍,劉芳,孫看軍,趙國(guó)虎,徐飛,李紅彪

(蘭州城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

摘要：以棉籽油和餐飲廢油為原料，經(jīng)預(yù)處理后采用兩步酯化工藝制備生物柴油，通過(guò)正交試驗(yàn)篩選最佳工藝條件.預(yù)酯化反應(yīng)的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶5，催化劑用量2.0%，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h，酯化率達(dá)到81%；轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶4，催化劑用量1.4%，反應(yīng)溫度75 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h，酯化率達(dá)到84%.與0#柴油性能指標(biāo)對(duì)比，本試驗(yàn)制備所得的生物柴油達(dá)到了國(guó)家生物柴油標(biāo)準(zhǔn).

關(guān)鍵詞：棉籽油；餐飲廢油；生物柴油

第一作者：鄭艷萍(1986-)，女，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，主要從事功能材料的研究.E-mail：zhengyanping729@126.com

目前，我國(guó)每年食用油消費(fèi)量居高不下，隨之產(chǎn)生的餐飲廢油數(shù)量也相當(dāng)驚人，尋找科學(xué)的處理方法迫在眉睫.生物柴油是一種含氧清潔能源，研究它具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4].以餐飲廢油為原料制備生物柴油，雖然可以變廢為寶，降低生產(chǎn)成本，但由于餐飲廢油來(lái)源復(fù)雜，雜質(zhì)含量高[5]，使得生物柴油不僅產(chǎn)率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，而且對(duì)環(huán)境的污染大.棉籽油相對(duì)于其他油品，具有以下優(yōu)勢(shì)：1)石化柴油的碳鏈長(zhǎng)度分布在C15～C18范圍，棉籽油中的脂肪酸碳鏈99%集中在C16和C18，兩者的碳鏈非常接近；2)棉籽油與其他植物油相比價(jià)格較低[6-7].因此，將棉籽油添加在餐飲廢油中混合制備生物柴油，不僅可以改善餐飲廢油低的酯化率，而且有助于提高制備的生物柴油性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源的綜合利用，變廢為寶.但是目前關(guān)于這方面的研究甚少，大多數(shù)研究者都是單純以某一種原料進(jìn)行研究.因此，本試驗(yàn)將餐飲廢油與棉籽油混合，采用化學(xué)法中的酯交換法[8-10]，經(jīng)過(guò)兩步酯化工藝，制備生物柴油.

1材料與方法

1.1儀器與試劑

722G型可見(jiàn)分光光度計(jì),DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,電子分析天平,普通電子稱(chēng)，可控溫烘箱,離心機(jī)等.

氫氧化鈉、氫氧化鉀、甘油,酚酞、無(wú)水乙醇、硫酸銅、硫酸、甲醇、無(wú)水硫酸鈉、硫酸鋁，均為分析純.

1.2試驗(yàn)步驟

首先從蘭州城市學(xué)院第二食堂采集餐飲廢油，靜置、過(guò)濾除去大塊雜質(zhì)后，將廢棄油與棉籽油按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行混合，加熱升溫至70 ℃，加入油量1%的硫酸鋁，攪拌30 min，靜置24 h以上，取上層清液，備用.

接著向三口燒瓶中加入100 g上述上層清液，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)(表1).反應(yīng)結(jié)束后，倒入分液漏斗中靜置分層1 h，分離上層清液，用60 ℃的水洗至中性，測(cè)定酸值備用.

表1　預(yù)酯化反應(yīng)試驗(yàn)因素

取上述預(yù)酯化反應(yīng)后的油酯，加入一定量的氫氧化鉀和甲醇，然后在一定的溫度(水浴加熱)下反應(yīng)(表2).反應(yīng)完畢后，在分液漏斗中沉降4 h，分離出上下層液體.

最后將轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的粗柴油加入蒸餾裝置中，蒸出沸點(diǎn)較低的甲醇，冷卻至室溫后先加雙氧水脫色，后加入油重10%的無(wú)水硫酸鈉(靜置24 h)脫水，即得目標(biāo)產(chǎn)物.

表2　酯交換反應(yīng)試驗(yàn)因素

2結(jié)果與討論

2.1預(yù)酯化反應(yīng)正交試驗(yàn)結(jié)果

預(yù)酯化反應(yīng)時(shí)，影響該原料酸值的因素有濃硫酸的用量、甲醇用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間.以混合油的酸值為考察指標(biāo).試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3　預(yù)酯化反應(yīng)結(jié)果

由表4的極差分析可知，制備生物柴油酸值影響次序分別為：反應(yīng)溫度>甲醇用量>濃硫酸用量>反應(yīng)時(shí)間.在此試驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)溫度不宜過(guò)高，這是因?yàn)闇囟冗^(guò)高使甲醇的蒸發(fā)增加，降低了甲醇的含量，會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果.因此預(yù)酯化反應(yīng)的最佳條件為：硫酸2%，甲醇20%，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h，在此條件下，反應(yīng)溫度和甲醇用量對(duì)酯化率的影響較大.

表4　　預(yù)酯化反應(yīng)結(jié)果極差分析

2.2酯交換反應(yīng)正交試驗(yàn)結(jié)果

以氫氧化鉀為催化劑，混合油通過(guò)發(fā)生酯交換反應(yīng)制備生物柴油，影響酯化率的主要因素有甲醇用量、氫氧化鉀用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間.以混合油的酯化率(生物柴油的含量)作為考察標(biāo)準(zhǔn)，采用正交試驗(yàn)的方法優(yōu)化混合油酯交換反應(yīng)條件.正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5　轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)結(jié)果

要計(jì)算酯化率，必須計(jì)算出甘油的試驗(yàn)測(cè)定值，甘油的試驗(yàn)測(cè)定值可由表6和圖1計(jì)算得出.

表6　甘油標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度

圖1　甘油含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1　the standard curve of glycerol content

由極差分析可知，影響酯交換反應(yīng)酯化率的因素依次為：反應(yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>氫氧化鉀用量>甲醇用量.通過(guò)分析可知，生物柴油的含量隨著氫氧化鉀加入量的增加而增加，但并不是氫氧化鉀的加入量越高越好，若氫氧化鉀的濃度過(guò)高，可能會(huì)產(chǎn)生大量皂類(lèi)，因此氫氧化鉀加入量為1.4%較適宜.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，酯交換反應(yīng)的最優(yōu)條件為：反應(yīng)溫度75 ℃、反應(yīng)時(shí)間2 h、氫氧化鉀1.4%、甲醇25%.并且在本試驗(yàn)所選的條件下，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化率的影響較大.

表7　轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)結(jié)果極差分析

2.3制備的生物柴油性能

試驗(yàn)制備的生物柴油和0#柴油性能比較見(jiàn)表8.

表8　生物柴油與0#柴油的性能對(duì)比

*：GB252～2540標(biāo)準(zhǔn)

由表8中數(shù)據(jù)可以看出，生物柴油主要性能指標(biāo)符合國(guó)家生物柴油標(biāo)準(zhǔn)(GB252～2540).

3結(jié)論

1)以棉籽油與地溝油混合物為原料，采用兩步酯化工藝制備生物柴油.第一步是預(yù)酯化反應(yīng)，主要將混合油中的游離態(tài)脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯；第二為轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，進(jìn)一步將混合油中的甘三酯轉(zhuǎn)化為甲酯.

2)通過(guò)正交試驗(yàn)得到預(yù)酯化反應(yīng)的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶5，催化劑用量為2.0%，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h,酯化率達(dá)到81%；轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶4，催化劑用量1.4%，反應(yīng)溫度75 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h，酯化率達(dá)到84%.經(jīng)與0#柴油指標(biāo)相比，制備所得的生物柴油各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家生物柴油的標(biāo)準(zhǔn).

3)根據(jù)分析可知，影響預(yù)酯化反應(yīng)產(chǎn)物酸值的大小順序?yàn)椋悍磻?yīng)溫度>甲醇用量>濃硫酸用量

>反應(yīng)時(shí)間.影響酯交換反應(yīng)酯化率的因素大小依次為：反應(yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>氫氧化鉀用量>甲醇用量.

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(責(zé)任編輯胡文忠)

Preparation of biodiesel by using cottonseed oil

and mixed waster cooking oil

ZHENG Yan-ping,LIU Fang,SUN Kan-jun,ZHAO Guo-hu,XU Fei,LI Hong-biao

(College of Chemistry and Environmental Science,Lanzhou City University,Lanzhou 730070)

Abstract：A kind of biodiesel based on cotton seed oil and waste cooking oil was successfully prepared by a two-step process method.Through orthogonal experiment,the optimum conditions were obtained for pre-esterification as follows: the mass ratio of methanol to oil 1∶5,amount of catalyst was 2%,reaction temperature 80 ℃,reaction time 2 h,the esterification rate was over 81%.The optimum conditions of transesterification obtained were as follows: the mass ratio of methanol to oil 1∶4,amount of catalyst was 1.4%,reaction temperature 75 ℃,reaction time 2 h,the esterification rate was over 84%.The major properties of the biodiesel are up to the national biodiesel standards.

Key words：cottonseed oil;waste cooking oil;biodiesel

收稿日期：2014-11-01；修回日期：2015-03-08

中圖分類(lèi)號(hào)：U 473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2015)06-0156-03