“生物柴油的制备及性能测定”实验综述报告

荣俊锋，张晔，武成利，李伏虎，王金明，刘铭，吴姗姗

（安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001）

生物柴油即脂肪酸甲酯，是指以可再生资源如大豆油等为原料油，通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油属环境友好型燃料，是常规的化学柴油的优良替代品，受到众多研究者的关注。目前制备生物柴油的方法有酯交换法、混合法、微乳液法、高温热裂解法、酸或碱催化法、生物酶法、工程微藻法、超临界法等。酯交换法是由天然油脂制备生物柴油的重要方法，有着广阔的发展前景。

1 实验目的

（1）了解生物柴油的优良性能及发展生物柴油的意义。

（2）掌握目前制备生物柴油的方法。

（3）以大豆油为原料，通过酯交换反应制备生物柴油。

2 实验原理

酯交换法生产生物柴油是采用油脂（脂肪酸甘油酯）与醇（甲醇）在催化剂存在或超临界条件下进行酯交换反应（又称醇解反应），产生脂肪酸甲酯和甘油，其反应原理如下：

其中R、R和R为C～C的烷基或烯烃基。

3 实验仪器及试剂

电动搅拌器；水浴锅；浊度测定仪；250 mL三口烧瓶；酸式滴定管；碱式滴定管；球形冷凝管；250 mL分液漏斗；0℃～100℃温度计；250 mL烧杯；60 mL滴液漏斗；锥形瓶；平氏黏度计；分析天平等。

甲醇；氢氧化钾；盐酸；乙醇；乙醚；碘化钾；硫代硫酸钠；无水硫酸镁；可溶性淀粉；氯化碘；硫酸银；大豆油等。

4 实验步骤

（1）将44 g大豆油和12.8 g甲醇加到250 mL三口烧瓶中，并加入0.88 g氢氧化钾催化剂，在60℃下搅拌反应，回流冷凝，经2 h后停止反应。

（2）加常温的蒸馏水100 mL，再用稀盐酸小心中和至pH 7.0～8.5，然后将产物转移至分液漏斗中静置分层，上层为生物柴油粗产品，下层为粗甘油。过滤掉下层的甘油，分离出来的脂肪酸甲酯即为生物柴油粗品。

（3）将所得产品用70℃左右的蒸馏水清洗3～5次，然后放在水浴中蒸出多余的甲醇，在干燥箱中干燥去除生物柴油中的水分，即得较纯净的淡黄色生物柴油。粗甘油提纯后为制备生物柴油的副产品。

（4）用气相色谱分析生物柴油中脂肪酸甲酯的含量。

5 结果与讨论

5.1 不同温度、不同反应时间、不同甲醇用量与酸值、碘值的关系

在60℃水浴条件下，大豆油用量44 g，氢氧化钾用量0.88 g，不同反应时间、不同甲醇用量对应的碘值和酸值数据如表1。

表1 不同反应时间、不同甲醇用量对应的碘值、酸值

由表1分析可知，生物柴油的酸值及碘值会根据醇油比的改变而发生改变。醇油比增加使酸值增加，碘值下降。

5.2 相同温度、相同反应时间大豆油用量与碘值、酸值的关系

甲醇用量12.8 g，氢氧化钾用量0.88 g，在60℃水浴条件下，反应2 h，大豆油用量与对应碘值、酸值数据如表2。

表2 大豆油用量与对应碘值、酸值关系

甲醇用量不变，随着大豆油用量增加，部分大豆油未参与反应，导致酯交换反应不彻底，碘值、酸值有所增加。

5.3 催化剂用量与生物柴油性能指标的关系

在60℃水浴条件下，取反应2 h所得生物柴油进行性能测试，研究催化剂用量对黏度、浊度、酸值及碘值的影响。

从图1可以看出，黏度波动不大，故催化剂用量对生物柴油的黏度性能影响不大。由浊度曲线可以看出，浊度在催化剂含量增加的情况下，呈向上开口的抛物线形状，除0.8 g KOH处外，浊度随催化剂含量的增加而增加，0.8～0.88 g，浊度出现最低值。

图1 催化剂用量与黏度、浊度的关系

由图2可知，酸值随着催化剂用量的增加波动较大，从该曲线中我们可以得到，在催化剂用量0.9～0.94 g，酸值出现最低值。碘值曲线表明，碘值随催化剂用量的变化呈先上升后下降的趋势，在0.8 g和0.94 g处出现最低值，碘值过高会影响燃料的燃烧性能。

图2 催化剂用量与产品酸值、碘值的关系

5.4 反应时间与生物柴油性能指标的关系

原料配比：大豆油44 g，甲醇12.8 g，氢氧化钾0.8 g，60℃水浴，研究反应时间对黏度、浊度、碘值、酸值及水分的影响。

由图3可知，反应时长的改变对生物柴油的黏度、浊度影响很大。随着反应时间的增加，黏度呈现微小先降低后增加的趋势；而浊度则逐渐降低。

图3 反应时间对浊度及黏度的影响

由图4可知，碘值随反应时间的增加而呈现降低趋势，酸值呈现增长趋势，这可能是由于脂肪酸的累积所导致。因此，在制备生物柴油时，应选择合适的反应时间，防止酸值过高。

图4 反应时间对酸值及碘值的影响

如图5所示，随反应时间增加水分含量呈现先增加后减少的趋势，反应12 h后，含水量约为0.026%。

图5 反应时间对水分的影响

5.5 红外分析

图6是4种性能指标较好样品的红外光谱图。

图6 生物柴油样品红外对比图

由样品2曲线可知，在3 650～3 590 cm以及3 350 cm处出现很强很宽的峰，说明检测样品中存在游离态的醇羟基或酚羟基及多聚态醇或酚；在3 300～2 500 cm范围内出现较宽散的谱带，说明可能存在二聚体羧基；3 300～2 700 cm之间的峰值说明存在不饱和和饱和碳氢伸缩振动；图中1 639 cm处的峰在1 690～1 630 cm之间，存在碳氧双键和碳碳双键；1 405 cm处峰为碳氧伸缩振动峰；612 cm处的宽峰说明存在碳卤键。综合上述分析，该样品中含有羟基、羧基、酯基、双键、羰基、醚键、C-I键和C-Cl键等。其他3条曲线分析同上。对比四条曲线谱图可知，产品特征峰基本相同，仅吸光度存在一定差异。

6 思考题

（1）与传统柴油相比，生物柴油具有哪些优良性能？

（2）用氢氧化钾作催化剂制备生物柴油有哪些优缺点？

（3）简述测定生物柴油碘值、酸值的原理和意义。

7 总结

“生物柴油的制备及性能测定”实验是化工专业精细化工方向开设的综合性实验，重点训练学生基本化学素养，同时教会学生如何评价产品的性能，以此不断优化改进制备工艺，达到反复动态循环综合训练的目的。实验表明，改变原料配比可直接影响生物柴油的收率及性能，而改变反应时间可影响其性能结果。本研究将为生物柴油的制备及性能测定提供一定的借鉴。