作者:杨星霞 罗嘉

     生物柴油是以清洁可再生的长链脂肪酸及其甘油三酯为原料,通过与甲醇、乙醇等低级醇的酯化和转酯化反应生成的长链脂肪酸甲酯/乙酯产物。生物柴油因为化学结构和理化性质与传统的柴油燃料相近,而被认为可以替代传统柴油用作液体燃料。该反应使用酸碱进行催化。出于减少污染、避免设备腐蚀等方面的考虑,非均相的固体碱催化剂被认为更应该取代均相的NaOH和KOH,并在长达数十年的时间里被世界范围内的众多学者广泛研究。尽管如此,非均相碱依然未能在工业生产实践中取代均相碱,究其原因在于非均相催化剂需要特别制备(成本高),而且催化剂在反应中的使用温度高(≥60-80 oC vs.均相条件的30-50 oC)、时间长(数小时到整天vs.均相条件的30-60 min)、醇挥发严重(反应需要投入更多的挥发性醇,而且这些溶剂易燃有害)。结果是非均相催化剂的经济性远逊于均相的NaOH和KOH。

     中国科学院西双版纳热带植物园生物能源研究组的硕士研究生杨星霞在罗嘉和张帆博士的指导下,将非均相碱催化剂实现甘油三酯转酯化反应的温度从原有的60-80 oC大幅降低至室温(28 oC),并在此条件下比较了ZnO、CaO、MgO、镁铝水滑石、Na2SiO3和CaSiO3等多种商业化固体碱催化大豆油和高酸值小桐子油完成反应的能力。研究证明,固体Na2SiO3(价格只有商业化CaO的一半)经过煅烧后,在室温(28 oC)、醇油比12/1和催化剂量5 wt%条件下反应12 h,就可以获得>96%的转酯化收率。其次是CaSiO3催化剂,在室温(28 oC)、醇油比为27/1和催化剂量23 wt%的条件下反应24 h,可获得>99%的转酯化收率。研究还对催化剂重复利用以及低温条件下的非均相碱催化动力学进行了有效的探讨。该研究以降低催化反应条件苛刻度、提升非均相反应经济性为目的,为非均相碱催化在工业化的生物柴油反应中取代均相催化迈出了重要的一步,为催化剂的后续改进完善指明了新方向。

     相关研究成果以“Catalytic transesterification to biodiesel at room temperature over several solid bases”为题发表在Energy Conversion and Management上(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890418302024)。该研究得到了国家科学基金青年项目(31400507,31400518)、云南省自然科学基金(2015FB184,2017FB015)和青促会项目(2017440)的支持。

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