生物柴油的催化和膜分離耦合工藝研究.pdf

1、在全球性資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞危機的背景下，生物柴油作為最易于應用和推廣的綠色能源而深受研究部門和企業(yè)的青睞。我國的生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展不足但潛力巨大，生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、健全將有效降低石油依存度，維護國家能源安全，減少環(huán)境壓力，促進經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的生物柴油制備工藝，反應-分離集成工藝為生物柴油生產(chǎn)提供了新的技術(shù)和思路，其中膜反應工藝為生物柴油生產(chǎn)提供了一條經(jīng)濟、綠色的路徑，特別是在生物柴油生產(chǎn)成本依舊居高不下的前

2、提和全球低碳經(jīng)濟發(fā)展模式的要求下，膜反應工藝的低成本、低能耗和高效率的優(yōu)勢顯得特別突出。
　　本文分別將固體堿、固體酸、整體催化劑催化與微濾膜分離在膜反應器耦合，研究和優(yōu)化膜反應器中大豆油與甲醇的酯交換反應過程，并對固體堿催化的膜反應工藝進行建模。通過原位合成與浸漬法結(jié)合制各了堿性催化膜，以期將其應用于膜反應器中。
　　1、自行搭建了連續(xù)化膜反應器，采用KF/Ca-Mg-Al HT為催化劑實現(xiàn)了非均相堿性催化與膜分離耦合制備

3、生物柴油。研究結(jié)果表明，生物柴油產(chǎn)率隨反應溫度的升高、催化劑用量的增加而提高，隨循環(huán)流速的提高呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，其中反應溫度對生物柴油產(chǎn)率影響最大。通過面響應CCD實驗設(shè)計優(yōu)化得出最優(yōu)的工藝條件為反應溫度70℃、催化劑填裝量0.531 g/mL、循環(huán)流速3.1mL/min，該條件下反應3小時生物柴油收率達到91％，催化劑具有良好的重復使用牲。
　　2、制備了PTSA/MCM-41催化劑并將該催化劑應用于膜反應器制備生物柴油中

4、。研究結(jié)果表明，PTSA/MCM-41催化劑在膜反應器中表現(xiàn)出良好的催化活性，膜反應器中該催化劑催化活性和重復使用性與其它研究中的固體酸催化劑活性相當，但在膜反應器中所需反應條件相對溫和。優(yōu)化得到最優(yōu)的工藝條件為反應溫度80℃、催化劑填裝量0.27 g/mL、循環(huán)流速4.15 mL/min，該條件下反應3小時生物柴油收率達到85％，催化劑具有良好的重復使用性。
　　3、通過原位合成的方法在蜂窩陶瓷的表面合成了Ca-Mg-Al水滑石

5、，并通過浸漬法負載KF制備了KF/HT/HC整體催化劑，并將該催化劑應用于膜反應器制備生物柴油。研究結(jié)果表明，原位合成的方法可以成功將水滑石負載在蜂窩陶瓷表面，同時，原位合成的水滑石大大增加了蜂窩陶瓷載體的比表面積，為KF負載過程中活性中心的構(gòu)建和負載提供了有利條件。KF/HT/HC催化劑膜反應工藝中，生物柴油產(chǎn)率隨反應溫度的升高、催化劑用量的增加而提高，隨循環(huán)流速的提高呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，其中反應溫度對生物柴油產(chǎn)率影響最大;在較高

6、的催化劑用量和循環(huán)流速的條件下，由于皂化的影響，生物柴油的收率隨兩者的升高出現(xiàn)了下降的趨勢。優(yōu)化得到最優(yōu)的工藝條件為反應溫度70℃、催化劑填裝量0.3 g/mL、循環(huán)流速4.9 mL/min，該條件下反應3小時生物柴油收率達到91.6％，催化劑具有良好的重復使用性。
　　4、通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到了反應的動力學參數(shù)、液-液相交互作用參數(shù)以及過濾方程，建立了固體堿催化的膜反應工藝的模型。在Aspen Plus中模擬了單程膜反應（一個“

7、基元”）;使用Matlab求解了并分析了膜反應工藝的模型。模擬和模型計算結(jié)果表明，反應原料中大豆油初始質(zhì)量分數(shù)0.4～0.6的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化率在70％以下時體系均處于兩相，其中大豆油轉(zhuǎn)化率低于60％時，富甲醇相中的油含量很低。生物柴油收率的模型計算值與實驗值吻合良好。隨著反應溫度的提高，同一時刻下生物柴油收率提高，但其上升趨勢基本一致，能達到的最大收率也基本一致，但溫度較低時達到相同生物柴油收率所需時間較長，表明膜反應器可以通過連續(xù)移出產(chǎn)