用餐饮废油制备生物柴油研究

冯桂荣，周杨蕾卉，吴科研，李雪峤，张彦红

（唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000）

用餐饮废油制备生物柴油研究

冯桂荣，周杨蕾卉，吴科研，李雪峤，张彦红

（唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000）

以餐饮废油为原料，采用酯交换法合成生物柴油。通过单因素控制，优化反应条件，再进行正交实验，确定了较优的反应条件：反应温度45℃，反应时间6 h，催化剂用量约为餐饮废油重量的0.8%，n(餐饮废油):n(甲醇)为1:6。生物柴油通过减压蒸馏进行提纯，并测定目标化合物的十六烷值和黏度，经分析确定为目标化合物。生物柴油的产率为86.73%。

生物柴油；餐饮废油；合成；条件探讨

随着石油资源的日益紧张，生物柴油作为一种可替代石化柴油的可再生新能源逐渐得到关注。利用废弃食用油制备生物柴油能缓解能源和环境压力，也能防止其回流到餐饮行业[1-2]。通过加热沉淀、活性炭吸附、过滤和真空除水等方式处理废弃食用油[3-4]。将处理好的餐饮废油和甲醇进行酯化，用单因素法、正交实验法探寻最佳反应条件，制备出优质生物柴油。

1 实验部分

1.1 合成生物柴油合成反应

1.2 主要仪器与试剂

1.2.1 仪器

HDM-500数显搅拌电热套；101-1AB型电热鼓风干燥箱；电子分析天平；太阳牌B型玻璃仪器。气流烘干器；旋转蒸发器RE-52；Lab130辛烷值十六烷值测定仪；落球式黏度计；蒸馏装置。

1.2.2 试剂

餐饮废油；甲醇；固体氢氧化钠；固体氢氧化钡；固体氧化钙；盐酸；石蜡。固体药品使用前在电热鼓风干燥箱中干燥。

1.3 实验步骤

1.3.1 生物柴油的合成

准确称取一定量的餐饮废油置于带有回流冷凝管和温度计的100 mL的三颈烧瓶中，搅拌加热至一定温度；将碱溶解于无水甲醇中，并迅速加入餐饮废油中，反应一定时间后，转入分液漏斗中，静置，分层，将上清液加酸中和至中性，减压蒸馏得精制生物柴油，采用称重法测其产率。

影响生物柴油产率的因素主要有催化剂种类、反应温度、反应时间、催化剂的用量、反应物料的配比，单因素控制，综合比较，优化反应条件。

1.3.2 生物柴油密度的测定

反应完成后，将样品冷却至20℃，用量筒取20 mL目标产物，测定其质量。取9组样品测定求平均数。密度计算公式如下：

其中，ρ为密度（g/mL）；m为质量（g）；V为体积20 mL。

1.3.3 生物柴油十六烷值的测定

该测定是在Lab130辛烷值十六烷值测定仪上进行，开启测定仪，预热1 min，将产品放入样品容器中，盖上盖子，15 s左右LCD屏幕上显示出测定的十六烷值。测定9组取平均数。

1.3.4 生物柴油黏度的测定

称取1.5 g生物柴油混合到45 mL液体石蜡中，室温条件下加入到落球黏度计样品管中，选择合适比重的球置于管中，让球下落记录球由上刻度线落至下刻度线所需时间，用下式计算黏度：

其中，η为黏度（m2/s）；K为不同球的仪器常数；ρ为球的密度（g/mL）；ρ0为液体石蜡的密度（g/mL）；ρ(生物柴油)为生物柴油的密度（g/mL）；t为球下落时间（s）。

2 结果与讨论

2.1 催化剂种类对生物柴油产率的影响

固定餐饮废油0.04 mol，甲醇0.24 mol，反应温度45℃。反应时间6 h，催化剂用量0.30 g，考察反应不同催化剂对反应的影响，结果如表1所示。

表1 不同催化剂对生物柴油产率的影响

由表1可见，氢氧化钠作为催化剂在常压条件下，对餐饮废油和甲醇之间的反应具有良好的催化活性。这是由于Na+和甲醇生成的甲醇钠能与餐饮废油充分反应，因此NaOH催化剂较为理想。

2.2 反应温度对生物柴油产率的影响

固定餐饮废油0.04 mol，甲醇0.24 mol，氢氧化钠0.30 g。反应时间6 h，考察反应温度对反应的影响，结果如表2所示。

由表2可见，随着反应温度的升高，生物柴油产率明显增加，当反应温度升至45℃时达到最大值86.73%，反应温度继续升高，产率则明显下降。这是由于温度高于45℃时，皂化反应速度加快，从而抑制了酯交换反应的进行，使生物柴油产率明显降低。这表明，酯交换反应所需的温度并不是越高越好，在45℃时，其产率最高，反应最稳定。

表2 反应温度对生物柴油产率的影响

2.3 反应时间对生物柴油产率的影响

固定反应温度45℃，餐饮废油0.04 mol，甲醇0.24 mol，氢氧化钠0.30 g，考察反应时间对反应的影响，结果如表3所示。

表3 反应时间对生物柴油产率的影响

由表3可知，当反应时间为3 h时，生物柴油的产率较低，为49.83%，随着反应时间的增加生物柴油产率增大，且增加幅度较大，当反应时间达到6 h时，酯交换反应基本达到平衡，生物柴油的产率达到一个最大，继续增加反应时间，生物柴油产率变化不明显。故可取最佳反应时间为6 h。

2.4 催化剂用量对生物柴油产率的影响

固定反应温度45℃，反应时间6 h，餐饮废油0.04 mol，甲醇0.24 mol，考察催化剂用量对反应的影响，结果如表4所示。

表4 催化剂用量对生物柴油产率的影响

由表4可见，催化剂用量对餐饮废油生物柴油的产率有很大的影响。当催化剂NaOH的用量小于餐饮废油重的0.8%时，生物柴油的产率随着NaOH用量的增加而增大，且增加幅度较大；当催化剂NaOH的用量大于餐饮废油重的0.8%时，生物柴油的产率随着NaOH用量的增加而减小，其用量大于1.0%时，反应产物发生明显变化，其粘度明显增大，有类似凝胶的物质生成。当催化剂过量较多时，酯交换反应速度变慢，副反应：

的速度明显加快，从而使所生成的脂肪酸钠溶于餐饮废油甲酯中，使反应物粘度变大，最终成为凝胶。因此，可取NaOH的量为餐饮废油重的0.8%。

2.5 物料比对生物柴油产率的影响

固定反应温度45℃，反应时间6 h，餐饮废油0.04 mol，改变甲醇用量，考察n(餐饮废油): n(甲醇)对生物柴油合成反应的影响。结果如表5所示。

表5 反应物料配比对生物柴油产率的影响

由表5可知，当醇油摩尔比为4:1时，产率仅为59.30%，可见反应未完全进行，产生较多的甘油二酸酯和甘油单酸酯。随着甲醇量的增加，反应向正方向移动，产率逐渐增大；当醇油摩尔比为6:l时，产率达到最大值，继续增加甲醇的量，产率变化不大。当醇油摩尔比高于8:1时，产率反而有所下降，这是由于当醇油摩尔比过高时，反应速度虽然较快，但也促进了副反应的进行，使部分甘油在餐饮废油甲酯中不能分离，从而使生物柴油产率变低，故最合适的醇油摩尔比取为6:l。

2.6 正交实验

由单因素实验可以看出，反应时间、反应温度、催化剂用量、反应物料比为主要影响因素。采用L9(43)表进行正交实验，对以上因素进一步探讨。实验方案及实验结果分析分别如表6及表7所示。

表6 正交实验设计方案

由表7可知，各因子的影响从大到小的顺序为A＞C＞B＞D，最重要的因子为反应温度，最适宜的工艺条件为：A2B2C2D2，即反应温度45℃，反应时间6 h，n(餐饮废油): n(甲醇)为1:6，催化剂用量约为餐饮废油重量的0.8%，产率为86.73%。

表7 正交实验结果及分析

2.7 生物柴油的主要理化性能指标

由表8可见，餐饮废油所制生物柴油的密度和十六烷值较矿物柴油高，可作为矿物柴油的替代品。但其黏度也较高，应采取措施加以降低。

表8 生物柴油与0#柴油理化指标的比较

3 结论

以餐饮废油为原料，采用酯交换制取生物柴油，得到最优条件为催化剂NaOH，反应温度45℃，反应时间6 h，n(餐饮废油):n(甲醇) 1:6，催化剂用量约为餐饮废油重量的0.8%，生物柴油产率达到了86.73%。

[1] 张雷,刘小芳.以地沟油为原料制取生物柴油的过程分析[J].煤炭与化工,2015,38(1):153-155.

[2] 田树新.生物柴油的研究进展与发展现状[J].中国林副特产, 2007,1(86):85.

[3] 诸葛玉香.油脂制备生物柴油的工艺研究[D].陕西:西北大学,2005:2.

[4] 程国丽.蓖麻油生物柴油的制备及其性能研究[D].山西:中北大学,2008:34-38.

（责任编辑、校对：琚行松）

Biodiesel Preparation from Waste Cooking Oil Research

FENG Gui-rong, ZHOU Yang-lei-hui, WU Ke-yan, LI Xue-qiao, ZHANG Yan-hong
(Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

Waste cooking oil as raw material, the method of transesterification could be used to the synthesis of biodiesel. Through single-factor control, the reaction conditions were optimized, then orthogonal experiment, determined the optimum reaction conditions as follows: reaction temperature of 45℃, reaction time 6h,the amount of catalyst is 0.8% of the ratio of about waste cooking oil, castor oil / methanol is 1:6. Biodiesel was purified by vacuum distillation to determine target compounds sixteen cetane number and viscosity, which could be identified as the target compounds. Biodiesel production yield was 86.73%.

biodiesel; waste cooking oil; synthesis; explore the conditions

TQ031.7

A

1009-9115(2016)02-0041-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2016.02.012

唐山师范学院科学研究基金项目（2013D05），唐山师范学院化学系大学生创新创业训练计划项目

2016-02-05

冯桂荣（1963-），女，河北滦南人，教授，研究方向为有机化学教学和有机化学合成。