L-天冬氨酸离子液体催化不同油脂制备生物柴油的研究

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生物柴油(Biodiesel)由于其原料是动、植物油脂、微藻及地沟油等,因此是一种可再生能源,并且生物柴油具有可降解、绿色和环保等优良特点,因而生物柴油可作为石化柴油的理想替代品之一。制备生物柴油的瓶颈主要是生产成本高,以及在制备生产过程中的会导致环保问题等原因,对生物柴油的规模化生产及应用产生了很大的局限性。离子液体在生物柴油生产过程中成为一种降低生产成本、减少环境污染的优选绿色催化剂,其合理的应用,可有效促进生物柴油的可持续发展。现阶段研究较为广泛的是咪唑及吡啶类常规离子液体催化制备生物柴油,这些离子液体所需材料通常比较昂贵、多数难以降解,制备过程中还会造成环境污染,且废弃物难以降解。本研究针对目前生物柴油领域所选催化剂存在的缺陷和不足,结合本课题组的前期研究内容,选择价格相对低廉并且容易被降解的天冬氨酸,作为离子液体的原料合成相应的离子液体,以催化油酸的效果进行选择及评价所合成的氨基酸离子液体,其中离子液体[Asp]HSO4的催化效果最好。后续以离子液体[Asp]HSO4作为催化剂,对催化不同油脂制备生物柴油进行了单因素研究,并进一步研究了该离子液体催化油酸制备油酸甲酯的响应面优化试验,确定了最佳工艺参数。具体结论如下:(1)制备了一系列L-天冬氨酸离子液体,选用同一种脂肪酸,对催化效果好的离子液体进行了筛选。根据制备结果和测试,最终选择所制备的离子液体[Asp]HSO4用于后续实验研究。(2)首先对离子液体[Asp]HSO4催化剂进行了单因素实验。选用油酸、硬脂酸和月桂酸等脂肪酸为原料,以自制的的离子液体[Asp]HSO4为催化剂,与甲醇发生酯化反应制备相应的脂肪酸甲酯,通过测定酯化率,探寻最优工艺参数。选用食用级大豆油为原料,验证其催化酯交换反应的效果。通过实验得出离子液体[Asp]HSO4催化油酸酯化反应的最佳条件为:醇酸配比(甲醇与脂肪酸的摩尔比)7:1,天冬氨酸离子液体用量为20%(天冬氨酸离子液体质量与参与反应脂肪酸质量的百分比),温度为85±2℃,反应时间为24 h,该条件下脂肪酸的酯化率为97.7%;催化硬脂酸酯化反应的最佳反应条件为:醇酸配比5:1,天冬氨酸离子液体用量为10%,温度为55±2℃,反应时间为15 h,该条件下脂肪酸的酯化率为93.16%;催化月桂酸酯化反应的最佳反应条件为:醇酸配比3:1,天冬氨酸离子液体用量为5%,温度为65±2℃,反应时间为33 h,该条件下脂肪酸的酯化率为91.09%。催化大豆油酯交换反应的最佳反应条件为:离子液体催化剂用量占大豆油质量的5%、温度为85±2℃、反应时间为9 h、甲醇与大豆油物质的量之比5:1,该条件下产物的产率仅为40.57%,说明此离子液体不适合催化酯交换反应。(3)在单因素实验的基础上,选用油酸为原料,以自制的离子液体[Asp]HSO4为催化剂,开展响应面优化试验研究,试验得到油酸与甲醇发生酯化反应的最佳工艺条件,即反应温度为81℃,反应时间为25 h,催化剂用量为油酸质量的21%,甲醇与油酸的物质的量之比为7:1,在此条件下测得酯化率为97.16%,与预测值误差小于5%,说明试验结果可靠。(4)根据每种原料单因素实验的优化结果,分别对离子液体进行重复利用的实验,试验结果表明离子液体具有易分离、易回收利用的特点,且能够多次重复利用,是一种绿色环保、性价比比较高的催化剂。
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