新型固体碱催化剂在生物柴油合成中的应用分析

＊王屹然 祝媛媛

（湖北大学知行学院生物与化学工程学院 湖北 430000）

21世纪以来，我国科技日益发达，各行各业都在稳定健康发展，其中最重要的能源产业更是不可忽视。当今能源的输出主要依靠石油燃烧，其中包括天然气，煤气，煤炭等，但是地球资源是有限的，能源在日益减少，而且石油能源所产生的空气污染物对环境所产生的危害也是非常可怕的。所以人们开始搜寻一种可再生能源来替代石油能源，但是诸如氢气、乙醇这种能源受到各种限制不能开放使用，于是生物柴油诞生了，一种新型的可再生绿色能源，生物柴油拥有诸多特点，比石油更加环保，比氢气更加便捷，比核能更加安全，而且最令人赞叹的是它是可以降解的，这就解决了环境污染的问题。因此，生物柴油的发展受到世界诸国的重要关注。

1.生物柴油简介

我国是世界第二大石油使用大国，但是它所产生的环境污染也是无法估算的，生物柴油的出现可以帮助我国解决这个难题，利用可再生的清洁能源生物柴油对促进我国的经济稳定健康绿色发展以及减少环境污染，提高人们生活水平具有跨时代的重要意义。20世纪初期世界各国开始了对生物柴油的研究。

Diesel等一些专家直接将植物油作为生物柴油的原料，但是在使用过程中，发现了很多功能性问题，并且进一步研究了植物油的燃烧性能。之后到了20世纪70年代，世界爆发了石油危机，能源的日益减少，环境污染的扩大，都是世界各国焦虑的问题，同时促进了世界各国对于生物柴油的研究。一些国家为了保证能源的充足供应，生活水平的提高，环境污染的抑制，开始了对生物柴油的一系列研究。其中欧盟、美国等国家的一些科研机构加大了对生物柴油的研究力度，目前，一些国家对生物柴油的研究已经到了白热化阶段。德国某著名杂志曾经报道，在2006年全球生物柴油的产量已经达到了500万吨，到2010年全球生物柴油产量已经飞速增加到1920万吨，其中，产量最多的是欧盟，欧盟国家对生物柴油的研究力度是公认世界第一的，每年都会增加很多生物柴油的工厂，以供研究。美国和欧盟国家一般采用植物油作为合成生物柴油的第一原料，而日本由于国土面积小，没有充足的植物油，只能将餐饮油和工业废油作为生物柴油的原料。

现在我国对于生物柴油的研究也是非常重视的，在2010年时，我国生物柴油的产量约为20万吨，虽然我国对于生物柴油的研究属于起步晚，但是这个不影响我国对于生物柴油的重视程度，现在我国对生物柴油的发展已经达到了世界先进水平，其中工厂的数量和设备的先进同样已位列前茅，由此可见，我国对生物柴油是非常重视的。我国目前已经研发出了很多生物柴油，其中有大豆油、猪油、橄榄油、牛油等，其中大豆油是一种良好的生物柴油的原料，它具有非常持久的燃烧性能，同时也是价格最便宜的一种油脂。生物柴油的开发对一个国家的发展具有重要意义，它可以保证国家能源的充足供应，保证环境的良性发展，同时它也是人们生活中必不可少的能源物质，可以提高人们的生活水平，生物柴油的利用，对国家的发展，人民的幸福具有重要意义。

我国对生物柴油研究初期研究出第一代生物柴油，它是用油酯或者甲醇为原料，通过一种催化剂的催化，进行一系列复杂的反应生成脂肪酸甲酯。由于生物柴油与石油的结构相近，是一种新型的绿色再生资源，是完美的石油替代品，同时与石油能源相比，生物柴油有很多的优秀的特性。第一，众所周知，生物柴油是绿色可再生的，它的含硫量极低，所以在燃烧之后不会产生硫化物污染环境，也是可以降解的，对于环境保护具有重要意义。第二，生物柴油由于具有可再生性，因此可以在短时间内生产出来，而石油则需要上千年的沧海桑田的变化，因此，生物柴油是用之不竭的。第三，生物柴油的用途广泛。生物柴油的燃烧价值比普通石油高，而且生物柴油的安全性也是高于普通石油的，可以单独使用，也可以混合使用，十分便捷。

2.固体碱催化剂再生物柴油制备中的应用

制备高效、低投入的环保型的催化剂，是目前研究生物柴油的重点。而这重中之重就是选择合适的催化剂，去提高油酯交换反应的生产率以及反应的速度。目前我国的传统工业主要使用的催化剂是强酸强碱，比如硫酸、氢氧化钠、硝酸等。但是即使这些催化剂具有反应速度快和转化率高的优点，也不可避免的存在着缺点，比如不能进行回收、二次利用，反应产生的产物需要反复洗涤，会造成污水排放，污染环境。强酸的催化剂的反应条件要求温度高，时间长，这样就会导致成本增加，而强碱的催化剂的反应条件对于温度的要求比较温和，但是反应速率要比强酸快，所以，强碱催化剂被人们广泛使用。按照物质材料和活性中心对于固体碱进行分类的话，比较常见的固体碱大致有，负载型固体碱类、阴离子交换树脂类、金属氧化物类等。

金属氧化剂的碱性主要来自吸附在其上的H2O产生的带有负电荷的晶格氧以及羟基，大致包括有碱金属氧化物、负荷金属氧化物以及碱土金属氧化物，碱土金属主要有：镁、锶、钙、钡、铍以及镭，而在碱体金属氧化物中，氧化钙具有活性强、可重复多次使用、反应条件温和、成本低等优点，因此，备受人们的关注，但其也有一定的缺点，比如较容易溶于甲醇，吸收空气中的水分和二氧化碳，就会造成催化剂失活、中毒，存放环境应该干燥、密闭。而且这类催化剂的碱强度越高，其催化剂的活性就越强，催化剂的活性与焙烧温度也有一定的关系，温度越高，碱强度就越高，但是过于高的温度就会破坏催化剂的晶体结构，从而影响碱的强度，使得催化剂活性降低。研究者们为了改善氧化钙的特性，研究出了很多的固体碱催化剂。

阴离子交换树脂类的形状一般是颗粒状或者是多孔状，根据其交换离子的特性可以将其分类为强、弱碱性阴离子交换树脂。在研究者们对于阴离子交换树脂类在酯交换的反应里配置生物柴油的研究中发现，阴离子交换树脂具有较强的催化剂活性，而且其产率与树脂的密度和颗粒度都有一定的关系，并且可以通过其他方法再生。将阴离子树脂与微量的CH3ONa相作用，可以发现这两者之间的协同作用效果良好，在此条件下配置的催化剂酯交换反应近乎平衡。阴离子交换树脂具有易膨胀，容易无机物、有机物和金属离子中毒而导致失去活性，并且不耐高温，人们对于阴离子交换树脂在制备生物柴油的研究还在不断的进步。

负载型固体碱类是一种由载体和前驱体组成的碱类。三氧化二铝、沸石、活性炭等一般是载体，此类载体的一般特点是表面积巨大，有多孔结构，性质相当稳定的载体，其中前驱体一般采用碱金属，碱金属氧化物等，负载型固体碱类的前驱体经过高温的灼烧与载体相互碰撞融合形成新的活性位，因为负载型固体碱类具有制作简单，并且表面积巨大，碱性强烈等优点，受到我国广大研究学者的关注。其中以金属氧化物为载体的负载型固体碱类的碱性大小与其活性有关系，在酯交换反应中大豆油的转化率达到了88%以上。

以复合氧化物为载体的固体碱采用混合或者复合氧化物的方法，有效增加了固体碱的种类，因此受到学者的广泛关注，我国研究人员通过粉灰作为载体，将这种固体碱类制作出了新型催化剂，实验取得了阶段性突破，通过运用此种催化剂，在大豆油制作生物柴油的过程中，大豆油转化成生物柴油的转化率高达99.99%，而且还有一大发现就是此种催化剂的重复使用率也是很高的。我国还有一些科学家制作了固体碱催化剂，在棉花籽转化为生物柴油的实验中，其转化率高达95%。最后还有一种以水滑石为载体的固体碱，由于水滑石的特点是表面积巨大，热稳定性良好，可操作性强的特点，十分受研究学者喜爱，研究学者们通过水滑石固体碱类制作了高活性的催化剂，在生物柴油转化实验中，获得了较好的预期成果。

3.结语

综合上述内容，主要得出以下结论。利用研磨法配置的ZnO/Ca(OH)2/KF催化剂对于大豆油酯交换反应制备生物柴油具有反应良好的活性。仅仅使用3%的催化剂，在温度适宜，反应时间较短的条件下就可以得到98%的高产率。使用研磨法配置纳米级的NaSiO3/CaO/KF催化剂，此催化剂对于大豆油酯交换配制生物柴油的反应中具有可观的催化效果，并且反应时间更短，而生物柴油的产率仅仅降低了0.8%。通过使用浸渍法配置KF/MMT催化剂，并用蒙拓土作为载体的制备方法相对来说，更加便捷，生物柴油的产率达到97.5%。目前我国对于柴油的需求量较大，寻找新型的绿色能源代替柴油是一种必要的趋势。