“生物柴油的制備及性能測定”實驗綜述報告

榮俊鋒，張曄，武成利，李伏虎，王金明，劉銘，吳姍姍

（安徽理工大學化學工程學院，安徽淮南232001）

生物柴油即脂肪酸甲酯，是指以可再生資源如大豆油等為原料油，通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油屬環境友好型燃料，是常規的化學柴油的優良替代品，受到眾多研究者的關注。目前制備生物柴油的方法有酯交換法、混合法、微乳液法、高溫熱裂解法、酸或堿催化法、生物酶法、工程微藻法、超臨界法等。酯交換法是由天然油脂制備生物柴油的重要方法，有著廣闊的發展前景。

1 實驗目的

（1）了解生物柴油的優良性能及發展生物柴油的意義。

（2）掌握目前制備生物柴油的方法。

（3）以大豆油為原料，通過酯交換反應制備生物柴油。

2 實驗原理

酯交換法生產生物柴油是采用油脂（脂肪酸甘油酯）與醇（甲醇）在催化劑存在或超臨界條件下進行酯交換反應（又稱醇解反應），產生脂肪酸甲酯和甘油，其反應原理如下：

其中R、R和R為C～C的烷基或烯烴基。

3 實驗儀器及試劑

電動攪拌器；水浴鍋；濁度測定儀；250 mL三口燒瓶；酸式滴定管；堿式滴定管；球形冷凝管；250 mL分液漏斗；0℃～100℃溫度計；250 mL燒杯；60 mL滴液漏斗；錐形瓶；平氏黏度計；分析天平等。

甲醇；氫氧化鉀；鹽酸；乙醇；乙醚；碘化鉀；硫代硫酸鈉；無水硫酸鎂；可溶性淀粉；氯化碘；硫酸銀；大豆油等。

4 實驗步驟

（1）將44 g大豆油和12.8 g甲醇加到250 mL三口燒瓶中，并加入0.88 g氫氧化鉀催化劑，在60℃下攪拌反應，回流冷凝，經2 h后停止反應。

（2）加常溫的蒸餾水100 mL，再用稀鹽酸小心中和至pH 7.0～8.5，然后將產物轉移至分液漏斗中靜置分層，上層為生物柴油粗產品，下層為粗甘油。過濾掉下層的甘油，分離出來的脂肪酸甲酯即為生物柴油粗品。

（3）將所得產品用70℃左右的蒸餾水清洗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，即得較純凈的淡黃色生物柴油。粗甘油提純后為制備生物柴油的副產品。

（4）用氣相色譜分析生物柴油中脂肪酸甲酯的含量。

5 結果與討論

5.1 不同溫度、不同反應時間、不同甲醇用量與酸值、碘值的關系

在60℃水浴條件下，大豆油用量44 g，氫氧化鉀用量0.88 g，不同反應時間、不同甲醇用量對應的碘值和酸值數據如表1。

表1 不同反應時間、不同甲醇用量對應的碘值、酸值

由表1分析可知，生物柴油的酸值及碘值會根據醇油比的改變而發生改變。醇油比增加使酸值增加，碘值下降。

5.2 相同溫度、相同反應時間大豆油用量與碘值、酸值的關系

甲醇用量12.8 g，氫氧化鉀用量0.88 g，在60℃水浴條件下，反應2 h，大豆油用量與對應碘值、酸值數據如表2。

表2 大豆油用量與對應碘值、酸值關系

甲醇用量不變，隨著大豆油用量增加，部分大豆油未參與反應，導致酯交換反應不徹底，碘值、酸值有所增加。

5.3 催化劑用量與生物柴油性能指標的關系

在60℃水浴條件下，取反應2 h所得生物柴油進行性能測試，研究催化劑用量對黏度、濁度、酸值及碘值的影響。

從圖1可以看出，黏度波動不大，故催化劑用量對生物柴油的黏度性能影響不大。由濁度曲線可以看出，濁度在催化劑含量增加的情況下，呈向上開口的拋物線形狀，除0.8 g KOH處外，濁度隨催化劑含量的增加而增加，0.8～0.88 g，濁度出現最低值。

圖1 催化劑用量與黏度、濁度的關系

由圖2可知，酸值隨著催化劑用量的增加波動較大，從該曲線中我們可以得到，在催化劑用量0.9～0.94 g，酸值出現最低值。碘值曲線表明，碘值隨催化劑用量的變化呈先上升后下降的趨勢，在0.8 g和0.94 g處出現最低值，碘值過高會影響燃料的燃燒性能。

圖2 催化劑用量與產品酸值、碘值的關系

5.4 反應時間與生物柴油性能指標的關系

原料配比：大豆油44 g，甲醇12.8 g，氫氧化鉀0.8 g，60℃水浴，研究反應時間對黏度、濁度、碘值、酸值及水分的影響。

由圖3可知，反應時長的改變對生物柴油的黏度、濁度影響很大。隨著反應時間的增加，黏度呈現微小先降低后增加的趨勢；而濁度則逐漸降低。

圖3 反應時間對濁度及黏度的影響

由圖4可知，碘值隨反應時間的增加而呈現降低趨勢，酸值呈現增長趨勢，這可能是由于脂肪酸的累積所導致。因此，在制備生物柴油時，應選擇合適的反應時間，防止酸值過高。

圖4 反應時間對酸值及碘值的影響

如圖5所示，隨反應時間增加水分含量呈現先增加后減少的趨勢，反應12 h后，含水量約為0.026%。

圖5 反應時間對水分的影響

5.5 紅外分析

圖6是4種性能指標較好樣品的紅外光譜圖。

圖6 生物柴油樣品紅外對比圖

由樣品2曲線可知，在3 650～3 590 cm以及3 350 cm處出現很強很寬的峰，說明檢測樣品中存在游離態的醇羥基或酚羥基及多聚態醇或酚；在3 300～2 500 cm范圍內出現較寬散的譜帶，說明可能存在二聚體羧基；3 300～2 700 cm之間的峰值說明存在不飽和和飽和碳氫伸縮振動；圖中1 639 cm處的峰在1 690～1 630 cm之間，存在碳氧雙鍵和碳碳雙鍵；1 405 cm處峰為碳氧伸縮振動峰；612 cm處的寬峰說明存在碳鹵鍵。綜合上述分析，該樣品中含有羥基、羧基、酯基、雙鍵、羰基、醚鍵、C-I鍵和C-Cl鍵等。其他3條曲線分析同上。對比四條曲線譜圖可知，產品特征峰基本相同，僅吸光度存在一定差異。

6 思考題

（1）與傳統柴油相比，生物柴油具有哪些優良性能？

（2）用氫氧化鉀作催化劑制備生物柴油有哪些優缺點？

（3）簡述測定生物柴油碘值、酸值的原理和意義。

7 總結

“生物柴油的制備及性能測定”實驗是化工專業精細化工方向開設的綜合性實驗，重點訓練學生基本化學素養，同時教會學生如何評價產品的性能，以此不斷優化改進制備工藝，達到反復動態循環綜合訓練的目的。實驗表明，改變原料配比可直接影響生物柴油的收率及性能，而改變反應時間可影響其性能結果。本研究將為生物柴油的制備及性能測定提供一定的借鑒。