棕榈油碱催化制备生物柴油实验研究

李燕，雷云周

(1.广东石油化工学院 化学工程学院，广东 茂名 525000;2.茂名瑞派石化工程有限公司，广东 茂名 525000)

生物柴油是指由植物油脂、动物脂肪、微藻、油脂加工下脚料及餐饮废油与低碳醇经酯化或酯交换反应制得的长碳链脂肪酸低碳醇酯［1］。通常含有14 ～18 个碳原子，接近于由15 个烃链组成的石化柴油的平均相对分子量，具有与石化柴油相近的理化性质［2］。生物柴油作为绿色环保的替代燃料，具有可再生性、安全性高、润滑性好、十六烷值高、硫含量低等优点［3］，有效解决了环境、资源与发展之间的矛盾，使得生物柴油的制备技术得到世界各国的普遍关注［4］。在美国，生物柴油的主要原料为大豆油，欧洲则主要使用菜籽油，而世界上其他地区大多使用棕榈油［5］。油棕的单位面积产油量与其他油料作物对比高出多倍，确定了棕榈油在未来能源市场的重要地位。棕榈油十六烷值较高，自燃性能比较好，硫含量很低，燃烧后对环境的影响很小［6］。本文采用催化剂KOH 催化棕榈油与甲醇酯交换反应制备生物柴油，考察了不同反应温度［7］、醇油比、催化剂用量、反应时间对制备生物柴油的转化率的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

棕榈油(酸值为0. 7 mgKOH/g);无水甲醇、KOH 均为分析纯。

JB50-D 型电动搅拌器;ES-120 电子天平;SH2-D(Ⅲ)循环水式真空泵;HHS-2S 电子恒温不锈钢水浴锅;QCMAS-QP2010Plus 气相色谱-质谱联用仪。

1.2 实验方法

准确称取少量催化剂KOH 迅速投入甲醇溶液中，搅拌至KOH 颗粒完全溶解，将一定量的棕榈油、甲醇以及KOH 甲醇溶解液倒入到圆底烧瓶中，在一定温度下搅拌反应一定时间，将反应物移至分液漏斗，静置分层1 h，从下部移出甘油层。水洗甲酯层2 遍，除去未反应的甲醇、催化剂等，分液，100 ℃常压蒸馏甲酯层，蒸出残余的甲醇和水得到成品生物柴油。

1.3 生物柴油产率计算方法

产率=M2/M1×100%

其中，M1为反应前加入棕榈油的质量，M2为反应后生成生物柴油的质量［8］。

2 结果与讨论

2.1 温度对生物柴油产率的影响

分别采用反应温度30，40，50，60，70 ℃的实验条件，反应时间2.0 h，醇油摩尔比为6 ∶1，催化剂用量为0.5%，考察温度对棕榈油转化生物柴油转化率的影响，实验结果见表1。

表1 温度对生物柴油产率的影响Table 1 Effect of temperature on yield of biodiesel

由表1 可知，体系反应温度对生物柴油的产率有一定影响，40 ℃时生物柴油的产率最高。主要原因是常压下甲醇的沸点为64.5 ℃，所以反应温度较高时，甲醇挥发掉了一部分，没有和棕榈油反应，导致生物柴油产率下降。

2.2 催化剂用量对生物柴油产率的影响

表2 是不同催化剂用量下的实验结果，其他实验条件为反应温度40 ℃，反应时间为2.0 h，醇油摩尔比为6∶1。

表2 催化剂用量对生物柴油产率的影响Table 2 Effect of catalyst dosage on yield of biodiesel

由表2 可知，产率随催化剂用量先增后减，适宜的催化剂用量在0.6%，催化剂用量过多，会产生大量碱性废水，造成环境污染。

2.3 醇油摩尔比对生物柴油产率的影响

表3 是不同醇油摩尔比下的实验结果，其他实验条件为反应温度40 ℃，反应时间2.0 h，催化剂用量0.6%。

由表3 可知，醇油摩尔比对产率有一定影响，醇油摩尔比为6 时产率最高。醇油摩尔比过大会造成甲醇回收系统负荷过大，对生产不利。

表3 醇油摩尔比对生物柴油产率的影响Table 3 Effect of molar ratio of methanol to oil on yield of biodiesel

2.4 反应时间对生物柴油产率的影响

表4 是不同反应时间的实验结果，其他实验条件为反应温度40 ℃，醇油摩尔比为6∶1，催化剂用量0.6%。

表4 反应时间对生物柴油产率的影响Table 4 Effect of reaction time on yield of biodiesel

由表4 可知，反应开始时随反应时间增长，产率增大，超过2 h 后，产率基本不变，适宜的反应时间为2 h。

2.5 生物柴油的GC-MS 分析

生物柴油的GC-MS 分析见图1。

图1 棕榈油制备的生物柴油的色谱图Fig.1 The chromatogram of biodiesel prepared from palm oil

由图1 可知，18. 49 min 处为己二酸二丁酯;19.589 min处为十四烷酸甲酯;24.021 min 处为棕榈酸甲酯;27.101 min 处为亚油酸甲酯;27.413 min处为油酸甲酯;27. 726 min 处为硬脂酸甲酯;30.739 min处为二十碳烯酸甲酯;31.202 min 处为二十烷酸甲酯。

表5 生物柴油GC-MS 分析结果Table 5 Biodiesel GC-MS analysis results

3 结论

用碱催化剂KOH 以棕榈油和甲醇为原料制备生物柴油的转化率较高，碱用量少、反应条件温和、副产物甘油和甲酯易分离，未反应的甲醇等杂质可以通过蒸馏除去，操作简单。制备生物柴油实验的最佳工艺条件为:反应温度40 ℃，催化剂用量0.6%，醇油摩尔比6∶1，反应时间2.0 h，生物柴油产率可达97.82%，主产物经GC-MS 分析为生物柴油。

［1］ 靳福全，刘秉爱，李晓红，等. CaO/ZnO 固体碱催化制备生物柴油及催化剂的表征［J］. 石油学报，2013，29(1):69-74.

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