生物柴油酯基結構優(yōu)化及其對低溫性能研究

王文超 李法社 李 瑛 王友昊

(昆明理工大學冶金與能源工程學院1，昆明 650093)(冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心2，昆明 650093)

生物柴油是一種清潔、無污染、可再生能源，在能源危機與環(huán)境污染問題日益嚴峻的今天，越來越引起人們的重視，具有非常大的發(fā)展?jié)摿1-5]。生物柴油具有原料來源廣、閃點溫度高、潤滑性能好、可生物降解、污染物和致癌物排放低等諸多優(yōu)點[6-10]。由于生物柴油組成中長鏈飽和脂肪酸甲酯含量高，低溫流動性較差，生物柴油易結晶，大大限制了生物柴油在低溫時的使用[11]。

目前，不少國內外學者對改善生物柴油低溫流動性做出研究。科萊恩研發(fā)出最新柴油脫蠟催化劑HYDEX E,通過對長鏈正構烷烴的選擇性加氫裂化而來改善柴油等中間餾分油的低溫流動性，降凝效果好卻成本較高[12];袁夢鴻[13]向生物柴油內添加不同比例的醇或者柴油，通過優(yōu)化混合燃料改進生物柴油的低溫流動性，添加柴油的混合燃料燃燒時會產生污染物；Alok等[14]分別向生物柴油內添加石化柴油和氧化鎂(MgO)納米顆粒，結果表明添加了氧化鎂(MgO)納米顆粒后的低溫流動性更好，但添加氧化鎂(MgO)納米顆粒后是否會影響霧化燃燒還有待研究；Perez等[15]將生物柴油進行冬化處理，其生物柴油的凝點和冷濾點的溫度大大降低,低溫流動性也有了明顯的改善，但在冬化過程中會使生物柴油的質量產生損失。

本研究從生物柴油組分出發(fā)，對生物柴油低溫流動性起主要作用的飽和脂肪酸甲酯(SFAME)—硬脂酸甲酯進行酯基替換。利用硬脂酸與不同醇為基本原料，以吡啶硫酸氫鹽離子為催化劑，研究分析了最佳制備條件和低溫流動性，為生物柴油的工業(yè)制備以及低溫流動性能指標優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 試劑

吡啶硫酸氫鹽離子、超純水、1 mol/L酚酞溶液、KOH-乙醇溶液：自制；硬脂酸、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、戊醇、異戊醇、石油醚、乙酸乙酯、無水乙醇、95%乙醇、氫氧化鉀、濃硫酸(≥99.5%)等均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

SK5200HP超聲波清洗器；524G恒溫磁力攪拌器；R-205增強型旋轉蒸發(fā)儀；SYD-265石油產品運動黏度測定儀；DZF-6020型真空干燥箱；SYP1022-Ⅲ石油產品傾點、濁點、凝點、冷濾點實驗器；SYP2007-II餾分燃料冷凝點吸濾器；873生物柴油氧化穩(wěn)定性測定儀。

1.2 方法

1.2.1 吡啶硫酸氫鹽離子液體制備方法

將一定量的吡啶置于冰浴中的三口燒瓶中，進行一定時間的磁力攪拌，逐滴滴加等物質量的濃硫酸，待生成白色固體后溶于無水乙醇中。隨后加入一定量的活性炭，在一定溫度下磁力攪拌一段時間，將濾液旋轉減壓蒸餾。用石油醚和乙酸乙酯洗滌多次，放入真空干燥箱內一定溫度下恒溫干燥一定時間,冷卻到室溫即為吡啶硫酸氫鹽離子液體，反應方程式為圖1。

圖1 催化劑制備方程式

1.2.2 硬脂酸酯的制備方法

將一定比例的硬脂酸與不同醇放入裝有溫度計、攪拌器和冷凝回流裝置的三口燒瓶中，并加入一定比例的催化劑。把三口燒瓶放置水浴鍋內攪拌加熱，升溫到設定的溫度后進行回流反應。反應結束后，反應產物用超純水多次洗滌，然后將產物放入旋轉蒸發(fā)儀中進行減壓蒸餾，蒸餾出未反應的醇類進行回收，把反應產物放進真空干燥箱里干燥數(shù)小時，得到的純凈干燥的反應產物即為硬脂酸酯。

1.2.3 硬脂酸酯的轉化率計算方法

分析原料硬脂酸和硬脂酸酯的酸值，根據(jù)式(1)計算酯化反應的轉化率：

(1)

式中:AV為反應前原料的酸值/mg/g；AV0為反應后產物的酸值/mg/g

1.2.4 低溫流動性能檢測方法

低溫性能指標采用凝點、冷濾點來表征。凝點的測量采用GB/T510—1983方法，冷濾點的檢測采用SH/T0248—2006方法。

2 結果與分析

2.1 硬脂酸酯制備條件優(yōu)化分析

對8種酯的制備過程進行了條件優(yōu)化，分析醇酸摩爾比、反應時間、反應溫度、催化劑用量對酯化反應轉化率的影響。本研究只以硬脂酸甲酯(MSE)為例，如圖2所示，其他7種酯的影響因素趨勢、分析過程與硬脂酸甲酯的分析相似，不一一列舉。

2.1.1 醇酸摩爾比對酯化反應的影響

由圖2可知，初始階段轉化率隨醇酸摩爾比的增大而增大。當醇酸摩爾比到達30∶1時，轉化率達到最高。繼續(xù)增大醇酸摩爾比，轉化率保持不變，并略有下降趨勢。主要原因是此反應是可逆反應，初始階段增加醇酸摩爾比相當于增加反應物的濃度，致使反應向正反應方向進行，轉化率不斷升高。但是此反應理論上的醇酸摩爾比是1∶1，當醇酸摩爾比為30∶1時，醇已經大大過量，繼續(xù)增加醇，一定程度上降低了硬脂酸的濃度，轉化率增長趨勢平緩甚至下降趨勢。因此，此反應最佳的醇酸摩爾比為30∶1。

2.1.2 反應時間對酯化反應轉化率的影響

由圖2可知，初始階段轉化率隨反應時間的增加逐漸增大。當反應時間到90 min時，轉化率為最大，繼續(xù)增加反應時間，轉化率開始不變或呈現(xiàn)降低的趨勢。這是因為在反應的初始階段，增加反應時間有利于反應向正反應方向進行，轉化率不斷增加。而到達90 min后反應已經基本結束，繼續(xù)增加反應時間可能會出現(xiàn)其他副反應影響實驗結果，所以此反應的最佳反應時間為90 min。

圖2 不同因素對硬脂酸甲酯轉化率的影響

2.1.3 催化劑用量對酯化反應轉化率的影響

由圖2可知，初始階段酯化反應轉化率隨離子液體用量的增加逐漸增加。當催化劑用量到達6%時，轉化率已經最大。繼續(xù)增加催化劑用量，轉化率增加趨勢平緩，趨于不變，并有降低的趨勢。這主要是因為在催化劑用量為7%時，反應已經完全。繼續(xù)增大催化劑用量，已不能使酯化反應進一步向正方向進行，且后續(xù)的處理回收比較困難，會產生大量的廢水，既浪費水又污染環(huán)境，因此酯化反應的最佳催化劑用量為7%。

2.1.4 反應溫度對酯化反應轉化率的影響

由圖2可知，初始階段隨著反應溫度的逐漸增大轉化率也逐漸增大。當反應溫度為70 ℃時，轉化率達到最大。繼續(xù)增加溫度，轉化率基本不變，趨于平緩。主要原因是反應起始溫度較低，反應速率較慢，適當提高溫度反應速率加快，酯化率有明顯的上升。當超過70 ℃時越來越接近醇的沸點，醇會大量揮發(fā)，減少了反應過程中醇的濃度，使反應速率降低，酯化率下降。因此，此反應的最佳反應溫度為70 ℃。

通過優(yōu)化條件分析后，8種酯的最佳反應條件如表1所示。

表1 8種酯的最佳反應條件

由表1可知，不同的碳鏈長度和不同碳鏈結構硬脂酸酯的反應最佳條件是不同的，在最佳反應條件下轉化率均達到了97%以上，轉化率比較高。

2.2 硬脂酸酯的紅外結構表征

紅外光譜是分子能選擇性吸收某些波長的紅外線,而引起分子中振動能級和轉動能級的躍遷，檢測紅外線被吸收的情況可得到物質的紅外吸收光譜。對所制備8種酯進行了紅外表征。同樣，只以硬脂酸甲酯的紅外光譜圖為例，對主要的官能團與化學鍵進行分析。硬脂酸甲酯紅外光譜圖如圖3所示。

圖3 硬質酸甲酯紅外光譜圖

硬脂酸甲酯紅外光譜如圖3所示，2 927、2 808 cm-1處為—CH3的C—H的伸縮振動吸收峰、2 660 cm-1吸收峰分別為—CH2—的C—H的不對稱和對稱伸縮振動;1 660 cm-1為酯基的特征吸收峰;1 488、1 388 cm-1處為C—O的振動伸縮峰[16]。由此，可判斷此酯為硬脂酸甲酯。其余7種酯的紅外譜圖如圖4所示，經識別后，7種酯均與標準圖譜相符。

圖4 7種酯的紅外光譜圖

2.3 硬脂酸酯低溫性能分析

低溫性能是評判生物柴油品質好壞的一項重要標準，主要以濁點(CP)、凝點(SP)、冷濾點(CFPP)、傾點(PP)這4項作為評價指標[17]。通過分析研究，測量了8種酯的凝點(SP)和冷濾點(CFPP)。

2.3.1 不同碳鏈長度對低溫性能影響分析

由圖5可得，隨著碳鏈的增長，硬脂酸類酯的凝點和冷濾點逐漸下降，低溫流動性越來越好。主要原因可歸結為分子間相互吸引的原因，以硬脂酸甲酯硬脂酸乙酯為例，由圖6、圖7可以看出，硬脂酸甲酯和硬脂酸乙酯的首基分別為帶氧原子的酯基和帶氫原子的甲基。根據(jù)電子效應理論可知[18-19]，氧原子是帶負電荷的強負性原子，正好與帶有正電荷的甲基相互吸引并且不斷累積，最終形成晶體。但是與硬脂酸甲酯不同的是，硬脂酸乙酯在相互吸引的同時，由于酯基和甲基之間多了一個—CH2—,—CH2—上的氫原子會相互排斥，所以硬脂酸乙酯相

圖5 硬脂酸直鏈酯的凝點、冷濾點

互吸引時會遇到額外的阻力，相比較硬脂酸甲酯相互凝結時會更困難，并且隨著碳鏈的增長，酯基和甲基之間的—CH2—結構會越來越多，斥力會越來越大，凝結就越來越困難，所以隨著碳鏈的增長，硬脂酸類酯的凝點和冷濾點逐漸下降，低溫性越來越好。

圖6 硬脂酸甲酯之間分子相互吸引示意圖

圖7 硬脂酸乙酯之間分子相互吸引示意圖

2.3.2 相同碳鏈長度不同支鏈結構對低溫性能影響分析

同樣，對相同碳鏈長度不同支鏈結構的硬脂酸直鏈酯與支鏈酯進行了低溫性能分析，結果如8所示。

圖8 硬脂酸直鏈酯與支鏈酯的凝點與冷濾點

由圖8可以得出，相同碳鏈長度下，支鏈酯比直鏈酯凝點、冷凝點溫度都要低，低溫流動優(yōu)越；在支鏈酯中，有著與直鏈酯相同的趨勢，既隨著碳鏈的增長，硬脂酸類酯的凝點和冷濾點逐漸下降，低溫流動性越來越好。如圖9、圖10可以看出，由于硬脂酸異丙酯末端由兩個帶正電荷的甲基，與帶負電荷的酯基相互吸引時,會存在選擇性問題，一旦酯基與其中的一個甲基結合后，另一個游離的甲基會與其他的游離的酯基相互吸引，造成相互之間拉扯。其次根據(jù)分子間作用力理論可知，分子間的作用力與分子的空間構型有關，具有無方向性和飽和性的特點。相比硬脂酸異丙酯，支鏈的硬脂酸丙酯分子結構更緊密、緊湊，更容易相互聚積，所以導致直鏈酯低溫流動性比較差。

圖9 硬脂酸丙酯之間相互吸引示意圖

圖10 硬脂酸異丙酯之間相互吸引示意圖

3 結論

本研究對8種酯進行了單因素實驗分析，確定了最佳反應條件，轉化率較高，均在97%以上。分析8種酯低溫流動性，結果表明：直鏈酯與支鏈酯的低溫流動性能均隨碳鏈長度的增長而逐漸改善；在相同碳鏈長度下，支鏈酯比直鏈酯低溫流動性能更加優(yōu)越。直鏈酯低溫流動性差異主要與首基團電子間相互吸引有關；而在相同碳鏈長度下，支鏈酯與直鏈酯低溫流動性能差異主要與首基團電子間相互吸引和分子間作用力相關。