负载型固体酸催化制备白花树生物柴油的研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究目的：

生物柴油生产最常用的液体酸性催化剂如硫酸、盐酸等，虽然活性高，价格低廉，但存在选择性差、副产物多、产品质量不易控制、设备腐蚀严重，同时生产过程产生大量酸性废水，污染环境等问题。市场上已有的固体酸催化剂普遍存在两个方面的问题：1）颗粒状催化剂易于回收，但催化活性低，用量大，成本高；2）纳米级催化剂催化活性高，但回收极其困难，回收利用率低。一个理想的固体催化剂应该具有如下特点：具有相互连通的大孔隙，适量的活性中心和疏水表面，催化活性强，易于与产品分离，重复利用率高。因此，我们将以白花树果油为原料，对负载型固体酸催化剂展开应用研究，并通过生物柴油合成评价催化体系的应用效果。

研究意义：

2. 国内外研究现状分析

自20世纪30年代法国的胡德利首次研制与开发出第一个固体酸磁性催化剂硅酸铝以来，固体酸磁性催化剂在石油催化裂化等领域中得到了广泛应用，固体酸磁性催化剂所表现出来的优异特性及对环境的友好行为引起人们极大的兴趣。近年来，随着人们对负载型固体酸催化剂的不断深入研究，负载型固体酸催化剂的种类呈现日益繁多的局面[1]。

在国内，北京化工大学和哈尔滨工程大学等研究组[2-6]根据将磁性材料和固体酸进行组装的设想，成功地制备出磁性纳米固体酸催化剂zro2／fe3o4、so42--zro2／fe3o4。纳米级磁性前体--磁基体(fe3o4)的磁性、粒子尺寸受到fe2 ／fe3 投料比和用于沉淀的氢氧化钠浓度的显著影响；不同复合方法也对磁性固体酸催化剂的酯化催化性能影响显著。实验证实，新型催化剂以磁性材料为核，固体酸催化剂活性组分包覆在其外部形成包覆型的磁性纳米催化剂。该系列催化剂均具有较小的粒子尺寸、较强的磁性及较高的酯化催化活性；并且易于通过磁场进行回收，使用寿命较长。将它们用于乙酸正丁酯、柠檬酸三丁酯合成等反应中，其催化活性随zro2含量的增加而提高。随后，他们[7-9]将钴基磁性材料引入催化剂中制备出钴基磁性固体超强酸催化剂（co0.5fe2.5o4／zro2和so42-／co0.5fe2.5o4／zro2)。结果表明，磁性基质的引入延迟了zro2的晶化以及zro2(t)相向zro2((m)相的转变，使zro2更加稳定，而且有助于稳定样品表面的so42-。此磁性固体超强酸对酯化反应具有较高的催化活性，可活化再生并保持磁性。夏赞成等[10]将磁性固体酸催化剂zro2／fe3o4用于催化合成对羟基苯甲酸丁酯。结果证明该催化剂易于通过磁场回收，使用寿命较长，催化效率高。訾俊峰等[11,12]采用磁性固体超强酸zro2／so42-为催化剂，用于乙酸正己醇的酯化反应以及丁二酸与正丁醇的酯化反应过程。结果表明磁性固体超强酸zro2／so42-是优良的固体酸催化剂。利用催化剂的磁性可将催化剂迅速分离和重复使用。张小曼等[13-15]利用磁性zro2和zro2-so42-固体超强酸催化剂．在丁酸丁酯、乳酸正丁酯合成反应中也取得了良好的效果。

在国外，camila等人[16]分别采用湿法和干法制备了硫酸锆催化剂。干法以zrocl28h2o和(nh4)2so4为前躯体混合,在600℃下煅烧5h。湿法是在zrocl28h2o水溶液中加入agno3溶液沉淀制成粉末,再加入硫酸处理后煅烧。实验结果表明,干法制备的硫酸锆具有良好的活性,在120℃,催化剂加入量占油重5%条件下反应1h,脂肪酸甲酯的收率为98%。但是该催化剂快速失效,无法多次重复使用。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

开发具有不同组分的负载型固体酸催化剂，通过对催化剂的结构、性能进行表征，筛选适用于原料油化学利用的高效可回收固体酸催化剂。

将活性炭、磁性载体等通过浸泡、洗涤、高温焙烧等处理后，应用于白花树果油的甲酯化反应制备生物柴油，利用得到产品酯化率来评价其催化活性，筛选、优化重组出廉价、高活性的负载型固体催化剂，最终全面评价催化剂的性能及产品质量。

4. 研究创新点

纳米磁性催化剂不仅具有磁分离特性，而且具有纳米材料的优异特性以及不同于常规催化剂的优异催化活性。利用负载型催化剂核壳理论及磁性相吸机制制备出磁性纳米固体酸催化剂，通过各种现代分析手段,对其结构及性能进行了系统的表征，探索磁性固体酸催化剂可行的制备方法及其应用于生物柴油制备工业的的可能性。

原料白花树作为安息香科能源植物的代表资源丰富，价格低廉，以其为原料进行生物基产品开发，可实现替代部分化工原材料，具有重要应用价值。