任慶功,閻杰,黃冠華,丘泰球,楊日福,范曉丹
(1. 華南理工大學 輕化工研究所,廣州,510640;2. 仲愷農業工程學院 化學化工學院,廣州,510225;3. 華南理工大學 理學院,廣州,510640)
生物柴油是指由動植物油脂與短鏈醇(甲醇或乙醇)進行酯交換反應所制備的脂肪酸單酯[1]。生物柴油作為一個重要的石油柴油替代或者部分替代品,具有可再生、易生物降解、無毒和不污染環境等特點[2],是目前研究的熱點之一。目前,在工業上推廣應用的主要是堿催化均相酯交換反應制備生物柴油[3]。此方法存在工藝復雜、能耗高和有廢堿液排放等缺點。如何獲得高效、穩定和對環境污染少等綠色生產工藝是研究者追求的目標。固體堿催化劑具有催化活性高,選擇性好,使用壽命較長,容易分離和對環境污染少等特點[4-5],被廣泛應用于有機化學反應等領域。目前,已報道的酯交換固體催化劑包括堿土金屬氧化物、負載型堿金屬氧化物和堿土金屬碳酸鹽等[6-9]。近年來,KF/Al2O3作為同時兼有堿性和親核性的新型固體堿已經成功地用于取代、加成、消除、氧化和重排等諸多反應的催化劑[10]。KF/Al2O3固體催化劑用于生物柴油制備也有較多文獻報道[11-13]。由于納米固體催化劑具有比表面積大和催化活性高的特點,該催化劑與普通的固體催化劑比較,具有反應條件溫和、反應速率快、酯交換反應產率高等優點。胡圣揚等[14-15]以納米γ-Al2O3為載體制備了納米 K2CO3/γ-Al2O3和納米KF/γ-Al2O3酯交換催化劑,用于催化植物油制備生物柴油,取得較好效果。因此,納米固體堿在生物柴油制備方面具有廣闊的發展前景。超聲因其獨特的作用被廣泛應用于化工、食品、生物技術等領域。超聲作為過程強化技術應用于均相酯交換反應制備生物柴油已有較多報道,Stavarache等[16]對超聲強化NaOH和KOH均相催化酯交換反應制備生物柴油進行了研究,結果表明:超聲可以縮短反應時間,降低催化劑用量,并且反應條件溫和。Hanh等[17]采用40 kHz功率超聲強化 KOH催化甘油三油酸酯與甲醇酯交換反應,并與傳統方法進行對比,結果表明:超聲作用下,在醇油物質的量比為 6∶1時,催化劑用量由 1.5%降低到1.0%,反應時間也由4 h縮短為30 min。但超聲強化負載型固體堿催化非均相酯交換反應制備生物柴油報道的較少。在此,本文作者以 KF、納米γ-Al2O3等為原料制備納米KF/γ-Al2O3固體超強堿,以大豆油為原料酯交換法制備生物柴油,采用 X線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)以及比表面積測定(BET)等手段對催化劑進行表征,分析超聲作用對其催化活性與結構影響。研究超聲功率密度及酯交換反應條件對酯交換反應甲酯含量的影響,并對超聲強化固體堿催化酯交換反應的機理進行探討。
納米 γ-Al2O3(純度大于 99.99%,平均粒度為 30 nm,比表面積>180 m2/g),浙江弘晟材料科技股份有限公司生產;大豆油,市售;乙醇、甲醇、KF·2H2O、表面活性劑PEG400和PEG6000以及苯,均為分析純;色譜純的棕櫚酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯、硬脂肪酸甲酯和十一酸甲酯,均購自 Fluka公司。
采用浸漬法制備納米KF/γ-Al2O3催化劑,在四口燒瓶中將 30 g γ-Al2O3溶于 200 mL乙醇中,加入42.3 g KF·2H2O 和 3 g n(PEG400)∶n(PEG6000)=1∶1 表面活性劑,在65 ℃劇烈攪拌反應3 h,然后,旋轉蒸發中脫去乙醇,將所得固體粉末在120 ℃真空干燥約10 h,再在 400 ℃ 溫度下煅燒,制得納米 KF/γ-Al2O3催化劑。
催化劑晶體結構由日本理學公司制造的D/max-IIIA型X線衍射(XRD)表征,輻射源為CuKα,工作電壓為40 kV,工作電流為30 mA;催化劑的比表面積采用美國Micromeritics公司ASAP2010型全自動比表面積分析儀測定;催化劑堿強度采用Hammett指示劑法測定;采用日本 JEM-100CXⅡ型透射電鏡(TEM)對催化劑粒度及形貌進行表征。
將45.3 g(0.05 mol)大豆油和一定物質的量比的甲醇加入到250 mL四口燒瓶中,并加入一定量的催化劑,開啟超聲裝置(40 kHz)(昆山市超聲儀器有限公司)到設定功率密度(單位體積上施加的超聲功率);反應計時并每隔一定時間取樣,所取樣品立即放置到冰水中終止反應,然后,將所取樣品在轉速為12 000 r/min、溫度為4 ℃時離心5 min分離催化劑,取離心后上層甲酯相1 mL于1.5 mL離心管中低溫保存以備分析。反應體系溫度采用 DC-2020節能型智能恒溫槽(寧波新芝生物科技股份有限公司)循環水浴控制,并維持循環水體積恒定。反應結束后,減壓抽濾回收催化劑,并將濾液進行旋轉蒸發,回收過量的甲醇。再將母液靜置分層,下層為甘油,上層即為生物柴油。
反應體系中脂肪酸甲酯的含量通過氣相色譜內標法測定。取樣品0.2 g,加入一定量的內標物十一酸甲酯,用苯溶解并定容到10 mL。采用美國HP 公司制造的 AgilentGC6890N氣相色譜儀分析樣品,其工作參數為:毛細管柱(DB-FFAP);FID檢測器;柱升溫程序:初溫150,保持2 min,然后,以10 /min℃升至230,保持8 min;汽化室溫度為250;載氣為 N2(高純),速度為 25 mL/min;空氣速度為 450 mL/min;檢測器溫度為300 ℃;進樣量1 μL,分流進樣,分流體積比為48.9∶1.0。甲酯含量由以下公式得出:

式中:wME為甲酯含量;mi為內標物質量;ms為樣品質量;Ai為內標物峰面積;fs為相對校正因子;As為脂肪酸甲酯峰面積。
2.1.1 超聲功率密度對酯交換反應的影響
對于頻率固定的反應器,功率密度調節起到改變介質獲得能量的作用。體系中介質分子振動速度會隨功率密度的增加而增大。本實驗采用頻率為 40 kHz的超聲反應器,在醇油物質的量比為6∶1,原料油催化劑質量分數為3%,溫度為45 ℃的條件下,研究不同超聲功率密度對酯交換反應的影響,結果如圖1所示。

圖1 超聲功率密度對大豆油酯交換反應的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power density on transesterification under ultrasonic irradiation
由圖 1 可知:隨著超聲功率密度的增大,酯交換反應生成的甲酯含量增加,超聲功率密度為53.3 W/L,反應35 min后甲酯含量為98.70%;而當超聲功率密度進一步增加到66.7 W/L時,酯交換反應35 min生成的甲酯含量反而降低到 95.71%。表明超聲功率密度并不是越大越好。原因可能是大超聲波功率密度導致反應體系中的甲醇氣化產生大量氣泡,減少了甲醇的有效含量。在液-液-固三相反應體系中,超聲功率密度增加,超聲空化效應增強。尤其是在反應初期,超聲波的空化作用產生了更細小的液滴,增大了醇油兩相與催化劑顆粒接觸面積。超聲空化產生的微射流、沖擊流等對液-液界面和液-固界面有沖擊、剝離和侵蝕作用,進而使相界面更新,從而有效地強化了傳質和乳化,使得反應速度明顯加快。而到反應后期,體系中甘油與脂肪酸甲酯含量逐漸增高,逆反應速度增加,正逆反應速度逐漸達到平衡,表現為甲酯含量趨于穩定。本研究條件下,超聲功率密度以53.3 W/L為宜。
2.1.2 反應溫度對酯交換反應的影響
在超聲功率密度為53.3 W/L,醇油物質的量比為6∶1,原料油中催化劑質量分數為3%的條件下,考察反應溫度對酯交換反應的影響,結果如圖 2所示。由圖2可知:甲酯含量隨著溫度升高先增加后減少,溫度低于45 ℃時,甲酯含量隨著溫度的升高而增加,于45 ℃反應35 min時,甲酯含量為98.68%;進一步提高溫度,甲酯含量明顯減小。這主要由于甲醇的沸點比較低(64.7 )℃,在超聲作用下,溫度過高會加劇甲醇的揮發,降低液相中甲醇的濃度,從而表現為甲酯含量減少。反應溫度對大豆油酯交換反應的影響見圖3。由圖3可見:在機械攪拌速率600 r/min,醇油物質的量比為 12∶1,原料油中催化劑質量分數為 3%的條件下,反應2 h,酯交換反應甲酯含量隨著溫度的上升而增加,65 ℃時甲酯含量達到最高,為 93.83%。結合圖2和圖3所示結果可知:超聲強化納米KF/γ-Al2O3催化酯交換反應不但提高了甲酯含量,縮短反應時間,還可以降低反應溫度,使得反應條件更為溫和。因此,本研究條件下,超聲強化酯交換反應體系溫度控制在45 ℃左右即可。

圖2 超聲作用下反應溫度對大豆油酯交換反應的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on transesterification under ultrasonic irradiation

圖3 機械攪拌下反應溫度對大豆油酯交換反應的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on transesterification under stirring
2.1.3 催化劑用量對酯交換反應的影響
在超聲功率密度 53.3 W/L,醇油物質的量比為6∶1,溫度為45 ℃的條件下,研究催化劑用量對酯交換反應的影響,結果如圖4所示。由圖4可知:催化劑用量對酯交換反應有較大影響,在1%~3%范圍內,甲酯含量隨著催化劑用量增加而增加,而進一步增加催化劑用量,甲酯含量有逐漸降低的趨勢。在機械攪拌速率為600 r/min,醇油物質的量比為12∶1,溫度為65 ℃,原料油中催化劑質量分數為4%的條件下,反應2 h,催化劑用量對大豆油酯交換反應的影響見圖5。從圖5可見:甲酯含量最高為96.29%。由此可見,超聲強化酯交換反應在提高甲酯含量的同時,還可以降低催化劑用量。這是因為:與機械攪拌相比,在超聲作用下,傳質效率大大提高,促使催化劑在反應體系中分布更為均勻,超聲空化效應產生的高速射流和沖擊波對催化劑顆粒表面不斷清洗,加快了表面更新,從而增大了醇油及催化劑接觸面積,較小催化劑用量即可達到催化效果。與機械攪拌相類似,在催化劑用量較少時,催化劑用量增加提高了催化活性中心的數量,表現為甲酯含量顯著提高。催化劑質量分數大于3%,影響了醇油兩相的傳質以及醇油與催化劑表面的界面更新速度。同時,過量的催化劑容易產生皂化等副反應以及有泥狀物產生,也使得催化劑分離回收難度增加。因此,在本研究條件下,超聲強化酯交換反應原料油中催化劑質量分數為3%較為適宜。

圖4 超聲作用下催化劑用量對大豆油酯交換反應的影響Fig.4 Effect of catalyst amount on transesterification under ultrasonic irradiation

圖5 機械攪拌下催化劑用量對大豆油酯交換反應的影響Fig.5 Effect of catalyst amount on transesterification under stirring
2.1.4 醇油物質的量比對酯交換反應的影響
醇油酯交換反應中,理論上醇油物質的量比是3∶1,但由于醇油兩相相溶性差,適當增大甲醇的用量可促使酯交換反應平衡向正方向移動。卞慶貴等[15,18-19]的研究結果表明:在機械攪拌條件下,當醇油物質的量比12∶1時得到的甲酯含量較高。而圖6所示的醇油物質的量比對大豆油酯交換反應的影響表明:超聲強化納米 KF/γ-Al2O3催化酯交換反應,隨著醇油物質的量比的增大,甲酯含量逐漸增加,但醇油物質的量比為6∶1至9∶1,脂肪酸甲酯含量增加幅度降低;隨著醇油物質的量比進一步增加,甲酯含量反而有降低的趨勢。這可能是隨著甲醇用量的增加,有助于酯交換反應向正方向進行,甲酯含量逐漸增加;與機械攪拌相比,在超聲作用下,大豆油中甘油三酯、甲醇及催化劑顆粒混合程度更高,分子之間碰撞概率更大,相對較低的醇油物質的量比即可獲得較高的甲酯含量。而隨著醇油物質的量比進一步增加,酯交換反應體系中的催化劑濃度被稀釋,減少了醇油分子與催化劑碰撞的概率;同時,由于反應總體積發生了變化,其單位體積施加的超聲能量下降,也可能造成超聲效應衰減,表現為甲酯含量略有降低。

圖6 超聲作用下醇油物質的量比對大豆油酯交換反應的影響Fig.6 Effect of methanol/oil molar ratios on transesterification under ultrasonic irradiation
催化劑堿強度采用Hammett指示劑法測定。樣品經焙燒后,在N2氣保護下冷卻到室溫,準確稱取若干等分于具塞三角燒瓶中,加環己烷保護,分別滴加Hammett指示劑,劇烈振蕩,放置24 h達吸附平衡后,觀察顏色。結果表明:KF負載量為15 mmol/g γ-Al2O3,4種Hammett指示劑(即2,4一二硝基苯胺(H_=15.0),4-硝基苯胺(H_=18.4),4-氯苯胺(H_=26.5)及二苯甲烷(H_=35.0))都呈堿性顏色,表明催化劑堿強度高于H_=35.0。
納米KF/γ-Al2O3固體超強堿TEM分析結果見圖7。由圖7可知:催化劑顆粒介于30~50 nm,是納米催化劑;由于KF負載較大(15 mmol/g γ-Al2O3),催化劑煅燒過程中存在一定的燒結,并且發生一定團聚,導致其外形不規則。

圖7 催化劑KF/γ-Al2O3的TEM圖Fig.7 TEM photograph of KF/γ-Al2O3 catalyst
KF 負載量 15 mmol/g γ-Al2O3的 KF/γ-Al2O3催化劑的XRD表征結果見圖8,其中:圖8(a)所示是載體γ-Al2O3XRD 圖譜,圖 8(b)所示是催化劑使用前的XRD圖譜,圖8(c)所示是使用后催化劑XRD圖譜。可以看出,催化劑經過400 ℃煅燒后出現了γ-Al2O3,K3AlF6和 K2CO3衍射峰(圖 8(b)),催化劑使用前后K3AlF6峰衍射強度沒有明顯區別(圖 8(c)),表明超聲空化作用對KF/γ-Al2O3催化劑的結構以及表面負載沒有顯著影響,用浸漬法制備的催化劑具有較高的機械強度。

圖8 催化劑及載體的XRD譜Fig.8 XRD spectrum of support and catalysts with different KF additions
固體堿的BET比表面積如表1所示。由表1可見:超聲強化KF/γ-Al2O3催化劑催化反應后,其比表面積由60.34 m2/g下降到37.26 m2/g,而機械攪拌強化酯交換反應后,催化劑比表面積僅下降到 54.66 m2/g。其原因可能是實驗制備的KF/γ-Al2O3是納米級催化劑,顆粒度較小,在超聲作用下促使催化劑顆粒分散更為均勻,反應結束后,催化劑顆粒間反而更容易相互作用發生團聚,從而導致比表面積下降。

表1 固體堿的BET比表面積Table 1 BET specific surface area of solid bases
由于固體催化劑的存在,反應體系屬于非均相,同時醇油兩相溶解性差,反應一般只在界面進行。在超聲外場作用下,空化氣泡的振蕩及其體積的周期性變化可在相界面處起到混合和乳化作用,尤其是在液-液相界面處空化泡的崩潰閉合產生的湍動效應和微擾效應引起的混合和乳化作用更為顯著。Wu等[20]的研究結果表明:超聲能夠產生更細小的液滴,超聲空化產生的微液滴進入兩相的界面,強化了相間的傳質,增大了醇油兩相和催化劑的接觸面積。伴隨超聲空化產生的微射流、沖擊波和聲沖流等機械效應,引起液流的宏觀湍動以及與催化劑粒子的高速碰撞,使渦流擴散加強,醇油兩相以及固體催化劑混合程度更高,傳質過程得到強化。超聲空化的微射流、沖擊流等對液-液界面和液-固界面有沖擊、剝離、侵蝕作用,進而使相界面得以更新,而伴隨的活化效應能創造活性表面。空化微擾效應也對微孔擴散(含渦流擴散和分子擴散)起強化作用[21]。此外,超聲空化產生的瞬時高溫高壓加劇了反應底物與催化劑碰撞概率,并且也可能使反應物和固體堿表面分子間的結合鍵斷裂而活化。因此,超聲強化固體堿催化酯交換反應是超聲空化產生的湍動效應、界面效應、微擾效應和聚能效應等協同作用的結果。
在超聲作用下,酯交換反應體系中催化劑中的堿性中心與甲醇(CH3OH)反應形成甲氧基陰離子CH3O-,使甲醇相中 CH3O-濃度提升,促使CH3O-進攻脂肪酸甘油酯,形成四面體陰離子過渡態。四面體陰離子與甲醇作用時,獲得氫而再生出甲氧基陰離子CH3O-。同時,四面體陰離子也可與結合H+的固體催化劑反應獲得 H+,實現酯交換過程,生成脂肪酸單酯[13],從而催化酯交換反應進行。對于生成的中間產物脂肪酸甘油單酯和脂肪酸甘油二酯,通過相似的過程,最終轉化為單酯,同時生成甘油,如圖9所示。至于超聲空化效應產生的羥基自由基是否改變反應的進程,超聲作用對 KF/γ-Al2O3納米固體堿催化酯交換反應動力學的影響有待進一步研究。

圖9 超聲強化酯交換反應過程Fig.9 Reaction scheme for transesterification under ultrasonic irradiation
(1) 采用浸漬法在65 ℃反應3 h,于400 ℃煅燒3 h,制備了納米固體超強堿KF/γ-Al2O3,催化劑顆粒粒徑為30~50 nm,堿強度高于H_=35.0,比表面積為60.34 m2/g。其催化活性與KF和載體γ-Al2O3經高溫煅燒形成的新晶相有關。
(2) 超聲作用對催化劑 KF/γ-Al2O3的表面負載和結構沒有顯著影響。但在超聲作用下,催化劑比表面積下降明顯,由60.34 m2/g下降到37.26 m2/g。
(3) 超聲功率密度對超聲強化納米 KF/γ-Al2O3酯交換反應具有較大影響。在超聲功率密度為53.3 W/L的超聲作用下,KF負載量為15 mmol/g γ-Al2O3(煅燒溫度為400 ℃,煅燒時間為3 h),催化劑質量分數為3%,反應溫度為 45 ℃,反應 35 min,甲酯含量達98.70%。與機械攪拌相比,超聲強化納米KF/γ-Al2O3催化大豆油酯交換反應提高了甲酯含量,縮短了反應時間,降低了催化劑和甲醇的用量,并可在較低溫度下進行,反應條件溫和。
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