以正己烷為溶劑的廢食用油制備生物柴油的優化研究*

于 睿，韓學芹，岳新兵，劉 華，王明君

(1 東營市俊源石油技術開發有限公司，山東 東營 257000；2 東營市非公有制經濟發展促進中心，山東 東營 257000；3 東營市中小企業發展服務中心，山東 東營 257000)

社會的發展擴大了對于化石能源的需求。開發替代能源的新方法新技術可以在一定程度上減少對于化石能源的依賴[1]。替代能源一般指可再生能源，其環保、無毒、可生物降解、比化石能源具有更好的潤滑性和燃燒性。其中生物柴油是具有發展前景的可再生能源之一，其物理和化學性質優于普通柴油[2]。生物柴油是數種原料(如植物油或動物脂肪)通過酯交換反應產生的烷基酯的混合物。隨著生物柴油的研究和生產實踐的進步，原料成本問題成為關鍵。降低成本的方法之一就是采用低價格的原材料，例如廢食用油是一種很好的替代品[3-5]。

部分研究建議采用廉價催化劑以降低成本，如氧化鈣，石灰石或蛋殼廢料可以作為催化劑[6]。但是，采用氧化鈣作為非均相堿催化劑的缺點是難以實現最佳產率。因此，與均相催化劑相比，需要更長的時間。為了克服該類問題，前期研究表明，在多相催化劑上使用載體能夠增加每單位質量催化劑的活性中心，另一方面可以提高催化劑在催化反應中的性能[7]。國外研究表明在催化劑上使用載體比沒有載體的催化劑具有更好的性能[8]。在催化劑上使用載體可增加催化劑的表面積。催化劑的性能預計會隨著催化劑表面積的增加而增加，從而縮短反應時間。

除了在催化劑上使用載體外，溶劑也被證明有助于縮短反應時間。前人研究結果證明溶劑的使用解決了兩個液相(油和甲醇)的問題，增加了傳質過程[9]。從可用于酯交換反應的溶劑來看，正己烷是最好的溶劑選擇。另外一項研究結果也表明正己烷溶劑的使用對酯交換反應有顯著影響[10-11]。本研究采用廢食用油為原料，以二水醋酸鋅和正己烷為溶劑的負載型CaO催化劑來生產生物柴油，考察了四個自變量對產物的影響，包括反應時間、溫度、甲醇比和己烷比，并進行了顯著性檢驗以確定四個變量的影響。采用響應面法(RSM)進行優化，以確定最高生物柴油產量的最佳工藝參數。

1 材料和方法

1.1 化學材料和試劑

從油炸食品銷售商處獲得的廢食用油，實驗材料還包括CaO催化劑、二水醋酸鋅、甲醇CH3OH。通過改變甲醇與油的摩爾比，H2SO4在酯化過程中用作催化劑，正己烷是采用的溶劑。

1.2 催化劑的制備和改性

通過濕法浸漬過程將二水醋酸鋅摻雜到CaO催化劑中。浸漬方法可用于獲得摻雜CaO催化劑的催化劑前體活性物質。濕浸漬是使用的過量溶液。在催化劑合成過程中，從溶液中除去固體，然后干燥以除去所有不需要的溶劑。將堿金屬離子浸漬到CaO中可增強CaO催化劑的堿強度。在該階段，計算出CaO需要量，在蒸餾水中浸泡2 h后靜置。在CaO溶液中加入定量的二水醋酸鋅，在不加熱的情況下使用磁力攪拌器攪拌5 h。攪拌后用真空泵過濾，將漿液放入110 ℃的烘箱中5 h。將烘箱的產物在800 ℃的爐子中煅燒4 h。

熱分解是在高溫下進行的一種前處理過程。該過程的主要目標是降解原材料，并增加顆粒表面活性中心的數量。由于高濃度活性催化中心的可用性，催化劑具有更高的表面積，可以提高生物柴油產量。由于經濟、簡單的工藝以及獲得高純度最終產品的簡單性，因此一般認為熱分解法是工業上批量生產氧化鈣的最合適方法。但是，如果煅燒溫度過高，將導致表面燒結和表面積減小，催化活性將惡化。催化劑煅燒提供了良好的催化性能，煅燒后存儲在干燥器中以供下一步使用。此外，提高煅燒溫度也會引起CO2從催化劑上解吸，從而提供更多影響催化劑反應性的堿基。

1.3 實驗設計

采用Minitab軟件進行實驗設計，基于Box-Behnken設計(BBD)的響應面法(RSM)確定影響酯交換反應的參數優化值。影響因子包括反應時間、溫度、甲醇比和正己烷比。根據影響因子的數量，須進行27組實驗。

1.4 酯化和酯交換反應

本研究中使用的廢食用油的游離脂肪酸含量相對較高。存在兩個階段，即酯化和酯交換。首先過濾廢食用油以去除其雜質，然后進行酯化。酯化的目的是減少其中所含游離脂肪酸的數量。含有過量脂肪酸的原料會引起另一種反應，即皂化，皂化會導致生物柴油的產率降低。

采用攪拌器、冷凝器、三頸燒瓶進行酯化實驗。第一次酯化實驗的條件是硫酸濃度為5%，反應時間為3 h，甲醇比例為18:1，結果表明酸水平較低。將反應時間延長到4 h，游離脂肪酸水平降低到1.683，達到了預期的結果。因此，游離脂肪酸水平隨著酯化反應時間的增加而降低，這在工藝預處理期間尤其明顯。

采用攪拌器、冷凝器、三頸燒瓶進行酯交換過程。每組實驗采用的CaO催化劑以占廢食用油的5%遞增，將產出的生物柴油與甘油層和催化劑再進行分離。

2 結果與討論

2.1 催化劑表征

通過SEM-EDX測試對改性前后的CaO催化劑進行形態表征，以確定添加摻雜劑即二水醋酸鋅的效果。

氧化鈣催化劑的尺寸與改性氧化鈣催化劑的尺寸不同。氧化鈣催化劑的粒徑范圍為400至800 nm，而改性氧化鈣催化劑的粒徑為200至350 nm。結果表明，添加二水醋酸鋅可以使催化劑的尺寸變小。質量相同時，較小尺寸的催化劑具有較大的表面積。具有較大表面積的催化劑與反應物分子的接觸面積更大，生物柴油產量更高，催化劑活性更強。對于上述兩種催化劑，EDX光譜顯示出高百分比的元素Ca和O。

2.2 生物柴油分析

生物柴油作為替代燃料或混合物的一種良好材料，其基本性質應按照標準進行計算。將生物柴油特性的實驗值與生物柴油測定的標準值進行對比，結果表明，實驗得到的替代燃料在生物柴油標準值的統計范圍內，如表1所示。

表1 生物柴油特性的實驗值與標準值

2.3 實驗結果分析

2.3.1 反應時間對生物柴油參數的影響

根據反應時間對生物柴油參數影響的實驗結果可知，在達到時間限制之前，反應時間越長，水分子產量越高。水分子產量的增加導致酯含量降低，分析原因是皂化、酸值的影響。在3.7 h時達到最佳反應工藝條件，反應時間延長至4 h對生物柴油的生產影響較小。在3.5 h時，酯含量達到了84.28%的最大值，但將時間延長到4 h，酯產量略有下降，降至68.96%。這表明反應已達到平衡，因此反應進行得更快。這將進一步發生反向反應，從而降低了酯含量。從經濟角度來看，最佳停留時間有利于最小短生產時間和較低成本。使用溶劑可以縮短所用的反應時間，解決系統中的三相問題。由于催化劑的累積，當催化劑量高時，反應會減慢，這將導致比表面積減小。反應時間的增加也會引起運動粘度的增加，原因是甲醇蒸發增加。

2.3.2 溫度對生產的生物柴油參數的影響

根據反應溫度對生物柴油測試參數影響的實驗結果可知，不同的長鏈脂肪酸需要不同的溫度才能獲得其轉化為甲酯的動能。因為溫度升高可以使催化劑實現低活化能。生物柴油的產量隨著溫度的升高而增加，雖然在溫度升高到53 ℃時，生物柴油產量沒有顯著增加，但在溫度升高到60 ℃后，生物柴油產量顯著增加。雖然溫度升高到53 ℃時，產量并沒有增加，但分析認為是由于所用設備的限制，所用恒溫器的溫度傳感器不易控制。溫度的升高導致反應混合物中酒精含量增加，使其更致密。由于單甘油三酯和雙甘油三酯分子在甘油階段溶解，因此，從產物中分離生物柴油存在問題，導致產品產量低。提高甲醇沸點附近的溫度，以及形成兩相可以加速甘油酯的皂化，從而降低脂肪酸甲酯的百分比。

2.3.3 甲醇比例對生產的生物柴油參數的影響

根據甲醇比例對生物柴油測試參數的影響實驗結果可知，生物柴油產量隨甲醇與廢食用油摩爾比的不同而不同。甲醇比例是影響生物柴油生產過程產量的關鍵因素。雖然理想的化學計量比為3:1，但通常采用過量甲醇進行外酯交換，過量的甲醇將平衡轉移到甲酯側，因此在本研究中，油中甲醇比例的增加導致產品的酯含量增加，收率相應增加。增加甲醇與油的比例可以提高逆反應的速度。當廢食用油的摩爾比最高時，生物柴油產量最高。結果表明，增加醇油摩爾比可以降低游離脂肪酸，從而提高脂肪酸甲酯的產率。但是，現有游離脂肪酸的轉換仍然是通過生產水作為副產品來進行的。由于其非極性性質，生成的分子水成為甘油三酯轉化的限制因素。

2.3.4 正己烷配比對生物柴油生產參數的影響

根據己烷比對生物柴油測試參數的影響可知，生物柴油的產率隨甲醇與食用油體積比的不同而變化。添加正己烷作為溶劑可使酯交換反應中的三個相均一，催化反應速度加快，隨著己烷與廢棄食用油體積比的增加，生物柴油的總體產率也會增加。

2.4 工藝參數優化

采用響應面法進行實驗設計，以優化工藝條件來得到更高的生物柴油產量。Box-Behnken設計作為一種流行的RSM類型，一般用于優化工藝條件。采用Box-Behnken設計，在中試工廠進行實驗，以確定最佳條件，并研究獨立參數對生物柴油生產的影響。RSM優化器可在最佳可用輸出響應下找到最佳輸入過程參數。

響應面法受數個操作參數的影響。基于前期研究，采用三級四因素模型，共27個反式酯化過程實驗。Box-Behnken設計可以研究獨立參數，以獲得最佳產率，基于時間3.75 h，溫度50 ℃、甲醇與生產的生物柴油的比例為12:1，己烷與生產的生物柴油的比例為1:1。二次模型用于找到預測響應變量和自變量之間的關系。根據實驗結果獲得的二次模型值為95.57%。方差分析是一種確定統計顯著性的方法。當方差分析提供p值為0.05的95%的置信度時，可以接受數學模型的方差分析。

實驗研究表明，反應時間、溫度、甲醇比和己烷比的增加對產率有積極影響。在本實驗中，沒有對催化劑濃度的差異進行測試。較高的溫度會縮短反應時間，但會降低產率，因為它會將甲醇移向沸點，從而增加成本。因此，將廢食用油轉化為生物柴油的最佳溫度為50 ℃，時間3.75 h。

3 結 論

向氧化鈣催化劑中添加二水醋酸鋅載體的實驗結果表明，催化劑尺寸發生了變化，催化活性得到了提高。在3.5 h、60 ℃溫度、甲醇：油摩爾比12:1、正己烷:油體積比0.75:1、R2=95.57%的條件下，獲得了97.30%的最大產率。顯著性檢驗結果表明，反應時間、溫度、甲醇比和正己烷四個自變量具有較高的顯著性。實驗獲得的生物柴油的燃油特性在適用生物柴油標準值的統計范圍內。因此，經過改性的CaO催化劑可以以較低的成本從廢食用油中生產生物柴油，并且額外使用溶劑正己烷有助于縮短反應時間。下一步可研究正己烷的使用比例，以節省生產生物柴油所需的成本。