碳基固体酸催化剂的制备及催化性能评价

概括：

生物柴油是典型的“绿色可再生能源”，燃烧性能优良、无腐蚀性、环境友好，可按比例与石化柴油混合使用，是一种优质、有发展前途的石化柴油替代品。酯交换法是目前生产生物柴油的主要方法，工业生产中主要采用液相酸碱催化法。酸催化酯交换反应对油中游离脂肪酸含量、水分含量无特殊要求，生物柴油产率较高。但催化剂腐蚀性强，对设备损害大，催化剂不能回收再利用。炭基固体酸催化剂是一种新型催化剂，作为制备生物柴油的催化剂，具有反应活性好、产物易分离、对反应设备无腐蚀、可回收利用等优点。从生产成本考虑，寻找廉价原料制备炭基固体酸催化剂对生物柴油的发展具有积极意义。本文以炭基固体酸催化剂为研究对象，以酯化酸还原为目标，研究了不同糖类化合物制备炭基固体酸催化剂的条件，并研究了高酸值油脂的酸还原效果。实验以油酸模拟高酸值油脂，在最佳制备条件下研究炭基固体酸催化剂的酸还原性能。通过实验研究，得到以下结论：（1）以葡萄糖、蔗糖、淀粉为原料，与适量的对甲苯磺酸混合，在马弗炉中在适当温度下炭化一定时间，制备出炭基固体酸催化剂。研究结果表明，P-SO3炭基固体酸催化剂的最佳制备条件为对甲苯磺酸用量为葡萄糖质量的28%，炭化温度为140℃，炭化时间为4h； Z-SO3碳基固体酸催化剂的最佳制备条件为对甲苯磺酸用量为蔗糖质量的28%、炭化温度为160℃、炭化时间为4h；D-SO3碳基固体酸催化剂的最佳制备条件为对甲苯磺酸用量为淀粉质量的28%、炭化温度为180℃、炭化时间为4h。

(2)以淀粉为原料,98%浓硫酸为磺化剂,采用碳化+磺化法制备碳基固体酸催化剂。结果表明,H-SO3碳基固体酸催化剂的最佳制备条件为碳化温度370℃、磺化温度150℃、磺化时间4h。(3)以淀粉为原料,研究了两种方法制备的碳基固体酸催化剂对高酸值油脂酯化反应的酸减效果。利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)、扫描电子显微镜(SEM)对催化剂进行了表征。结果表明,同时碳化+磺化法制备的碳基固体酸催化剂比表面积大、结构致密;两种方法制备的碳基固体酸催化剂上均键合有磺酸基团,且均为无定形碳结构。 FT-IR分析表明碳基固体酸催化剂形成了多环芳烃结构。以淀粉为原料，通过不同制备方法制备的两种碳基固体酸催化剂的比较表明，同时碳化磺化法制备的碳基固体酸催化剂的催化活性高于碳化磺化法制备的碳基固体酸催化剂，且稳定性也较高。在酯化酸还原反应中，醇油摩尔比为8∶1，碳基固体酸催化剂的用量为油酸质量的6%，反应温度为80℃，反应时间为4h。在最佳制备条件下得到的D-S03碳基固体酸催化剂的酸还原转化率为89.44%，催化剂重复使用5次后，反应中的油酸转化率仍可达80%。在最佳制备条件下得到的H-S03碳基固体酸催化剂的酸还原转化率可达85.75%。使用5次后，反应中油酸的转化率有所降低，但其催化活性可通过再磺化再生。该碳基固体酸催化剂具有催化活性高、环境友好、价格低廉、可回收利用等优点，表现出较高的催化酯化性能。

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