李 川, 胡獻(xiàn)國
(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009)
生物柴油是由動(dòng)植物油脂與短鏈醇通過酯交換反應(yīng)合成的混合酯類,作為清潔替代燃料,在全球受到廣泛重視。與石化柴油相比,生物柴油硫含量低,且不含芳香族烴類,能夠極大降低排放氣體中硫化物和致癌物質(zhì)的含量,減少對環(huán)境的污染;同時(shí),生物柴油含氧量高,燃燒更加充分,具有更高的燃燒效率[1]。目前,工業(yè)上主要應(yīng)用氫氧化鉀、硫酸等均相催化劑合成生物柴油。采用均相催化法合成生物柴油具有反應(yīng)速率快、收率高等優(yōu)點(diǎn),但是存在廢液多、副反應(yīng)多和乳化現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。為了解決均相催化劑存在的問題,國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種類型的用于合成生物柴油的非均相催化劑,包括固體酸、固體堿、固定化生物催化劑[2-3],但這些催化劑通常成本較高,故應(yīng)用受到限制。針對這一問題,有必要從催化劑原料角度入手,開發(fā)具有工業(yè)應(yīng)用前景的非均相催化劑。
采用自然界中廣泛存在的生物質(zhì)資源作為催化劑原料,是降低生物柴油催化劑制備成本的重要途徑。目前,國內(nèi)外學(xué)者相繼開發(fā)了以蛋殼[4]、蚌殼[5]、蟹殼[6]、動(dòng)物骨頭[7]等作為原料制備生物柴油非均相催化劑。由于這些原料中含有豐富的鈣基成分,因此可以制備成鈣基固體堿用于催化合成生物柴油。然而以更為廉價(jià)易得的生物質(zhì)灰為活性物種的非均相催化劑制備及其應(yīng)用鮮有報(bào)道。長期以來,我國廣大農(nóng)村大多數(shù)以各類農(nóng)作物秸稈和樹枝落葉作為燃料,生物質(zhì)灰來源十分廣泛,但事實(shí)上生物質(zhì)灰尚未得到有效的利用。生物質(zhì)灰含有植物體內(nèi)各種灰分元素,其中以鈣含量最多,然而鈣含量在不同植物中也不相同,其中以針葉樹灰的鈣含量最高[8]。在本研究中,選取雪松(針葉樹的代表性樹種)灰作為催化劑原料,通過一次煅燒-水化-二次煅燒過程,得到鈣基固體堿催化劑,用于催化酯交換反應(yīng),旨在為非均相催化法合成生物柴油在工業(yè)廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
酚酞、可溶性淀粉、甲醇、碘化鉀、硫代硫酸鈉、硫酸、重鉻酸鉀、鹽酸、4-硝基苯胺、環(huán)己烷,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;2,4-二硝基苯胺,化學(xué)純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;高碘酸鉀,分析純,天津博迪化工股份有限公司產(chǎn)品;五湖牌大豆油(中糧集團(tuán));雪松灰(自制,首先將秋季衰老自然脫落的雪松樹葉用水洗滌,晾干、燃燒并收集所剩余的灰),采用美國Thermo fisher Scientific公司X Series 2型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析雪松灰主要金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),見表1。
雪松灰催化劑:首先將雪松灰在110℃干燥10 h。干燥后的雪松灰放置于箱式電阻爐內(nèi)一次煅燒,常溫水化,80℃水浴中蒸干,110℃干燥12 h,二次煅燒活化,即得雪松灰催化劑。
表1 雪松灰的ICP-MS分析Table 1 ICP-MS analysis of cedar ash
采用德國耐馳公司STA449F3型同步熱分析儀(TG),在氮?dú)鈿夥障?,?0℃/min的加熱速率分析催化劑原料和其前驅(qū)體(800℃煅燒2 h,水化干燥處理;下同)隨溫度變化的規(guī)律;采用日本理學(xué)公司D/max 2500PC型X射線衍射儀(XRD)分析催化劑制備過程中的組成和物相變化;采用日本日立公司SU8020型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)分析催化劑原料、前驅(qū)體和催化劑結(jié)構(gòu)及尺寸;采用Hammett指示劑檢測催化劑的堿強(qiáng)度:選擇的Hammett指示劑為酚酞(H-=9.8)、2,4-二硝基苯胺(H-=15.0)、4-硝基苯胺(H-=18.4),分別配制為0.5%的甲醇溶液備用。然后準(zhǔn)確量取5 mL環(huán)己烷,放入25 mL的試管中,再加入0.2 g的催化劑,分別滴加上述指示劑,待吸附平衡后觀察其顏色變化。
先將一定質(zhì)量的大豆油加入到裝有回流冷凝管、溫度計(jì)的三口燒瓶中,按一定的醇/油摩爾比加入甲醇和雪松灰催化劑,在攪拌和水浴加熱條件下反應(yīng)。催化反應(yīng)結(jié)束,采用抽濾裝置分離并回收催化劑。濾液移入分液漏斗中靜置分層,上層為生物柴油相,下層為甘油相。分離出上層的生物柴油相,減壓蒸餾分離出生物柴油相中殘留的甲醇即得生物柴油。將下層的甘油相稱重,采用高碘酸鉀氧化法測定甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù),以甘油收率間接反映生物柴油收率,參見文獻(xiàn)[9]。
式中:
V0——空白消耗Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
V1——試樣消耗Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
C——Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度,mol/L;
M——甘油的摩爾質(zhì)量,g/mol;
m——稱取的粗甘油質(zhì)量,g;
w1——甘油的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。
生物柴油收率的計(jì)算公式:
m1——下層甘油相的質(zhì)量,g;
w——甘油的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;
m2——理論甘油的質(zhì)量,g;
y——生物柴油收率,%。
圖1為雪松灰在不同一次煅燒溫度和二次煅燒溫度下的XRD圖。由圖1(a)可見,雪松灰在600℃和700℃煅燒溫度下,2θ為23.1°、29.4°、36.0°、39.4°、43.2°、47.1°、48.5°、57.4°、60.7°、64.7°、69.2°、72.9°、81.5°、83.8°處和2θ為20.9°、26.6°、50.1°處存在較強(qiáng)的衍射峰,分別歸屬為CaCO3和SiO2。這說明雪松灰中主要成分為CaCO3和SiO2,結(jié)合表1可知,雪松灰的Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.47%,接近普通石灰石中Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)的50%[10],因而具備作為鈣基固體堿催化劑的潛質(zhì);當(dāng)一次煅燒溫度低于700℃時(shí),雪松灰含有的CaCO3未發(fā)生熱分解反應(yīng)。
雪松灰在800~1000℃煅燒溫度下,2θ為32.2°、37.4°、53.9°、64.2°、67.4°、79.7°、88.5°處存在較強(qiáng)的衍射峰,歸屬為CaO;同時(shí),CaCO3的特征衍射峰消失。此外,在2θ為39.5°、41.2°和2θ為20.9°、26.6°、50.1°處出現(xiàn)了新的物質(zhì)衍射峰,這分別歸屬為Ca2SiO4和SiO2。說明在800~1000℃的煅燒溫度下,雪松灰所含的CaCO3已完全熱分解為CaO和CO2,但部分SiO2和CaO反應(yīng)生成Ca2SiO4。這與Sharma等[11]研究結(jié)果相似。
圖1 雪松灰在不同一次煅燒溫度和二次煅燒溫度下的XRD圖Fig.1 XRD patterns of cedar ash by first and second calcining at different temperatures (a) XRD patterns of cedar ash by first calcining in the range of 600-1000℃; (b) XRD patterns of the precursor of cedar ash catalyst by second calcining in the range of 400-800℃
由圖1(b)可見,雪松灰催化劑前軀體在二次煅燒溫度為400℃,2θ為18.0°、28.7°、34.1°、47.1°、50.8°、54.4°、62.6°、64.2°、71.8°、84.8°處存在較強(qiáng)的衍射峰,歸屬為Ca(OH)2,說明在二次煅燒溫度為400℃時(shí),雪松灰催化劑前軀體所含的Ca(OH)2未發(fā)生熱分解。雪松灰催化劑前軀體在500~800℃的二次煅燒溫度下,2θ為32.2°、37.4°、53.9°、64.2°、67.4°、79.7°、88.5°處存在較強(qiáng)的衍射峰,歸屬為CaO;同時(shí),Ca(OH)2的特征衍射峰消失。此外,在2θ為39.5°、41.2°和2θ為20.9°、26.6°、50.1°處的衍射峰,歸屬為Ca2SiO4和SiO2。說明當(dāng)二次煅燒溫度升高至500℃以上時(shí),雪松灰催化劑前軀體所含的Ca(OH)2已完全熱分解為為CaO和H2O,然而二次煅燒后仍然存在Ca2SiO4和SiO2。
圖2為雪松灰催化劑原料和前軀體的TG曲線。由圖2可見,雪松灰在整個(gè)熱重過程的失重為25.30%,其受熱分解可分為2個(gè)階段:第1階段,37~200℃的失重為1.26%,這是由于雪松灰所含的潤濕水分和毛細(xì)管水分蒸發(fā)所致[5];第2階段,600~800℃的失重為24.04%,結(jié)合圖1(a)可知,是CaCO3熱分解為CaO和CO2所致[12]。雪松灰催化劑前軀體在整個(gè)熱重過程的失重為7.68%,其受熱分解可分為2個(gè)階段:第1階段,36~200℃的失重為2.23%,這是由于水化干燥后雪松灰所含的潤濕水分和毛細(xì)管水分蒸發(fā)所致;第2階段,在350~470℃ 的失重為4.71%,結(jié)合圖1(b)可知,主要為Ca(OH)2熱分解為CaO和H2O所致[13]。
圖2 雪松灰催化劑原料和前軀體的TG曲線Fig.2 TG curves of raw materials and the precursor of cedar ash catalyst (1) TG curve of cedar ash; (2) TG curve of the precursor of cedar ash catalyst
圖3為雪松灰催化劑原料、一次煅燒和二次煅燒下的雪松灰的SEM圖。由圖3可以看出,雪松灰催化劑原料呈疏松且不規(guī)則多孔的結(jié)構(gòu)。一次煅
燒溫度800℃煅燒后的雪松灰晶體顆粒平均直徑約為0.5 μm,晶體顆粒主要呈塊狀聚集態(tài)[14],顆粒表面光滑平整。二次煅燒溫度500℃制得的雪松灰催化劑的晶體顆粒平均直徑約為0.1 μm,晶體顆粒仍然呈無規(guī)則塊狀,與一次煅燒后的雪松灰相比,晶體顆粒直徑明顯減小。說明,二次煅燒能明顯改善催化劑顆粒的粒徑,提高催化劑有效接觸面積,這與Cho等[15]研究結(jié)果相似。
采用Hammett指示劑法,分別用酚酞(H-=9.8)、2,4-二硝基苯胺 (H-=15.0)、4-硝基苯胺(H-=18.4)測定雪松灰催化劑的堿強(qiáng)度。當(dāng)Hammett指示劑由酸性色轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性色,說明催化劑的堿強(qiáng)度大于該指示劑的H-值。結(jié)果表明,雪松灰催化劑能夠使酚酞變紅,但無法使4-硝基苯胺和2,4-二硝基苯胺變成堿性色。說明雪松灰催化劑的堿強(qiáng)度為9.8 圖3 催化劑原料、一次煅燒和二次煅燒下的雪松灰的SEM圖Fig.3 SEM images of cedar ash by uncalcining,first and second calcining (a) SEM image of cedar ash; (b) SEM image of cedar ash by first calcining at 800℃; (c) SEM image of cedar ash by second calcining at 500℃ 評價(jià)催化劑活性的酯交換反應(yīng)的條件:雪松灰催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%,醇/油的摩爾比14∶1,催化時(shí)間5 h,催化溫度65℃。以生物柴油收率作為評價(jià)催化劑活性的標(biāo)準(zhǔn),考察一次煅燒溫度、一次煅燒時(shí)間、二次煅燒溫度和二次煅燒時(shí)間對生物柴油收率的影響如圖4所示。 由圖4(a)可見,一次煅燒溫度低于800℃時(shí),生物柴油收率較低;當(dāng)一次煅燒溫度為800℃時(shí),生物柴油收率達(dá)到90.29%;但隨著煅燒溫度繼續(xù)升高,生物柴油收率反而降低。結(jié)合圖1(a)可知,一次煅燒溫度較低時(shí),雪松灰所含CaCO3未發(fā)生熱分解,雪松灰催化劑處于鈍態(tài);一次煅燒溫度達(dá)到800℃,雪松灰所含CaCO3熱分解為活性物種CaO;而過高的煅燒溫度,會(huì)促進(jìn)CaO和SiO2反應(yīng)生成Ca2SiO4,導(dǎo)致CaO含量降低,雪松灰催化劑的堿性活性中心減少,催化活性降低[11]。由圖4(b)可見,隨著一次煅燒時(shí)間由1 h延長至2 h,生物柴油收率升高,當(dāng)一次煅燒時(shí)間超過2 h,生物柴油收率基本不變。說明,一次煅燒過程,雪松灰所含CaCO3在較短時(shí)間內(nèi)即熱分解為CaO。 由圖4(c)可見,二次煅燒溫度在500℃時(shí),生物柴油收率最高,二次煅燒溫度過高或過低均會(huì)導(dǎo)致生物柴油收率降低。結(jié)合圖2可知,二次煅燒溫度較低時(shí),雪松灰所含活性物種仍然處于鈍態(tài),即Ca(OH)2未分解為CaO;二次煅燒溫度達(dá)到500℃時(shí),雪松灰所含活性物種從鈍態(tài)變?yōu)榛顫姂B(tài),即Ca(OH)2熱分解為CaO;而過高的煅燒溫度,促進(jìn)CaO顆粒團(tuán)聚,降低催化劑與反應(yīng)物的有效接觸面積[17]。由圖4(d)可見,二次煅燒時(shí)間對生物柴油收率的影響與一次煅燒時(shí)間對生物柴油收率的影響規(guī)律相似。說明二次煅燒,催化劑的活性物種在較短時(shí)間內(nèi)亦從鈍態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫姂B(tài),致使催化劑具有堿性活性中心。 圖4 雪松灰催化劑制備條件對生物柴油收率的影響Fig.4 Effect of catalyst preparation conditions on biodiesel yield (a) First calcination temperature (First calcination time=3 h, Second calcination temperature=500℃, Second calcination time=2 h); (b) First calcination time (First calcination temperature=800℃, Second calcination temperature=500℃, Second calcination time=2 h); (c) Second calcination temperature (First calcination temperature=800℃, First calcination time=2 h, Second calcination time=2 h); 綜上,雪松灰催化劑的最佳制備條件:一次煅燒溫度 800℃,一次煅燒時(shí)間2 h,二次煅燒溫度500℃,二次煅燒時(shí)間2 h。 將上述最佳制備條件下制得的雪松灰催化劑,用于催化合成生物柴油,考察催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、催化時(shí)間、醇/油的摩爾比、催化溫度對生物柴油收率的影響,結(jié)果如圖5所示。 由圖5(a)可見,雪松灰催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,有利于生物柴油收率的提高,但催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)過多,生物柴油收率反而略有降低。說明催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí),反應(yīng)體系中的堿性活性中心未達(dá)到飽和;隨著反應(yīng)體系中催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,催化反應(yīng)速率增加;但當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過7%時(shí),反應(yīng)體系中催化劑過多,反而增加了體系的傳質(zhì)阻力[18],不利于大豆油、甲醇和催化劑之間的充分接觸。由圖5(b)可見,隨著催化時(shí)間的延長,生物柴油收率逐漸升高,當(dāng)催化時(shí)間為5 h時(shí),生物柴油收率達(dá)到91.52%;但隨著催化時(shí)間進(jìn)一步延長,生物柴油收率趨于極值。說明,在酯交換反應(yīng)開始階段,反應(yīng)速率較快;當(dāng)催化時(shí)間超過4 h,由于反應(yīng)體系中甲醇和大豆油濃度降低,生物柴油和甘油濃度增加,反應(yīng)速率逐漸降低;當(dāng)催化時(shí)間超過5 h,酯交換反應(yīng)趨近平衡[19]。 由圖5(c)可見,隨著醇/油摩爾比的提高,生物柴油收率逐漸升高;但醇/油的摩爾比過高,生物柴油收率反而降低。說明反應(yīng)體系中甲醇的含量高有利于酯交換反應(yīng)平衡向右進(jìn)行,提高生物柴油的收率;但當(dāng)醇/油摩爾比超過14∶1,反應(yīng)體系中過高濃度的甲醇反而會(huì)增加甘油的溶解度,導(dǎo)致反應(yīng)體系中甘油濃度增加,阻礙反應(yīng)平衡向右進(jìn)行,這與Kotwal等[20]研究結(jié)果相似。由圖5(d)可見,隨著催化溫度的升高,生物柴油收率逐漸升高;但當(dāng)催化溫度高于65℃(甲醇的沸點(diǎn))時(shí),生物柴油收率反而下降。說明催化溫度較低時(shí),隨著催化溫度的提高,可以降低三相(甲醇-大豆油-雪松灰催化劑)反應(yīng)體系的黏度,促進(jìn)甲醇和大豆油的相互擴(kuò)散,從而提高反應(yīng)速率;但當(dāng)反應(yīng)體系溫度超過甲醇的沸點(diǎn),部分甲醇由液相轉(zhuǎn)化為氣相,導(dǎo)致反應(yīng)體系中甲醇濃度降低,對酯交換反應(yīng)不利,這與Birla等[21]研究結(jié)果相似。 綜上,雪松灰催化劑用于合成生物柴油的最佳條件:催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%,催化時(shí)間5 h,醇/油的摩爾比14∶1,催化溫度65℃。 圖5 酯交換反應(yīng)條件對生物柴油收率的影響Fig.5 Effect of transesterification reaction conditions on biodiesel yield (a) n(Catalyst) (Catalytic time=5 h, n(Methanol)/n(Oil)=14∶1, Catalytic temperature=65℃); (b) Catalytic time (Catalyst mass fraction=7%, n(Methanol)/n(Oil)=14∶1, Catalytic temperature=65℃); (c) n(Methanol)/n(Oil) (Catalytic time=5 h, Catalyst mass fraction=7%, Catalytic temperature=65℃); (d) Catalytic temperature (Catalytic time=5 h, Catalyst mass fraction=7%, n(Methanol)/n(Oil)=14∶1) 在最佳的催化劑制備和酯交換反應(yīng)條件下,反應(yīng)結(jié)束后,抽濾分離催化劑,經(jīng)甲醇洗滌處理[22],回收得到的雪松灰催化劑進(jìn)行重復(fù)利用試驗(yàn),考察催化劑重復(fù)使用后其熱分解情況和催化活性,結(jié)果見圖6。由圖6(a)可見,在使用1~4次的范圍內(nèi),雪松灰催化劑存在CaO、SiO2和Ca2SiO4的特征衍射峰;在使用2~4次的范圍內(nèi),雪松灰催化劑樣品在2θ為18.0°、34.1°處存在新的衍射峰,歸屬為Ca(OH)2。說明在使用1~4次的范圍內(nèi),雪松灰催化劑中活性物種仍為CaO;但在使用2~4次的范圍內(nèi),雪松灰催化劑所含的CaO已部分轉(zhuǎn)化為Ca(OH)2。由圖6(b)可見,雪松灰催化劑在多次重復(fù)使用后催化劑活性明顯下降,第4次使用時(shí)生物柴油收率為82.03%。結(jié)合圖6(a)分析可知,這是由于CaO容易與空氣和反應(yīng)體系中水發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致催化劑活性中心減少所致。這與Maneerung等[23]研究結(jié)果相似。 圖6 雪松灰催化劑在合成生物柴油反應(yīng)中的重復(fù)利用性能Fig.6 Reusability of cedar ash catalyst in biodiesel synthesis (a) XRD patterns of the used cedar ash catalysts after each reaction cycle; (b) Effect of the reusability of cedar ash catalyst on biodiesel yield (1)雪松灰催化劑的活性物種為CaO,堿強(qiáng)度為9.8 (2)一次煅燒溫度800℃、一次煅燒時(shí)間2 h、二次煅燒溫度500℃、二次煅燒時(shí)間2 h條件下制備出的雪松灰催化劑,在催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%、催化時(shí)間5 h、醇/油摩爾比14∶1、催化溫度65℃的條件下催化酯交換反應(yīng)效果最佳,生物柴油收率達(dá)到91.52%。 (3)雪松灰催化劑具有較好的重復(fù)利用性能,第4次使用時(shí),生物柴油收率仍能達(dá)到82.03%。 [1] LEUNG D Y C, WU X, LEUNG M K H. 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2.3 酯交換反應(yīng)條件對生物柴油收率的影響
2.4 催化劑的重復(fù)利用性能
3 結(jié) 論