一种新型碳基结构整体固体酸催化剂及其制备和在制备生物柴油中的应用转让专利
申请号 : CN201310265776.1
文献号 : CN103316695B
文献日 : 2015-07-29
发明人 : 丁维平 , 张冬冬 , 魏大力 , 李骐 , 薛念华 , 彭路明 , 郭学锋 , 陈懿
申请人 : 南京大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种碳基结构整体固体酸催化剂,其特征在于:所述催化剂为CNT-SO3H@不锈钢材料,以不锈钢材料为支撑材料,表面生长碳纳米管,经多硫化物硫化然后氧化而制得;
所述催化剂采用以下步骤制备获得:
(1)将1~10g金属盐溶于4~15mL油胺中,然后加热到100~300℃,搅拌60分钟成浆体,将上述浆体均匀涂覆在不锈钢丝材料表面,在60℃下真空干燥24小时;然后将样品放入管式炉中,在氮气的保护下,氮气的流量30~90mL/min,从室温升温至750℃,并保持3小时,然后用H2还原3h之后,氢气的流量5mL/min,自然冷却至室温,得到催化剂颗粒@不锈钢材料;
(2)将催化剂颗粒@不锈钢材料放入管式炉中,将茂金属化合物溶于碳源以10~
30mL/h注射进入管式炉,由40~90mL/min Ar+5~10mL/min H2气携带进入管式炉中心,在800℃催化裂解30~60min,获得CNTs@不锈钢材料;
(3)将CNTs@不锈钢丝材料放入多硫化物溶液中,在70~85℃搅拌反应12~24h,然后取出,用蒸馏水洗涤,在室温下与过氧化氢反应1h,可获得CNT-SO3H@不锈钢材料。
2.根据权利要求1所述的碳基结构整体固体酸催化剂,其特征在于:所述不锈钢材料为不锈钢丝网或片状材料。
3.根据权利要求1所述的碳基结构整体固体酸催化剂,其特征在于:所述多硫化物为多硫化纳。
4.根据权利要求1所述的碳基结构整体固体酸催化剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:(1)将1~10g金属盐溶于4~15mL油胺中,然后加热到100~300℃,搅拌60分钟成浆体,将上述浆体均匀涂覆在不锈钢丝材料表面,在60℃下真空干燥24小时;然后将样品放入管式炉中,在氮气的保护下,氮气的流量30~90mL/min,从室温升温至750℃,并保持3小时,然后用H2还原3h之后,氢气的流量5mL/min,自然冷却至室温,得到催化剂颗粒@不锈钢材料;
(2)将催化剂颗粒@不锈钢材料放入管式炉中,将茂金属化合物溶于碳源以10~
30mL/h注射进入管式炉,由40~90mL/min Ar+5~10mL/min H2气携带进入管式炉中心,在800℃催化裂解30~60min,获得CNTs@不锈钢材料;
(3)将CNTs@不锈钢丝材料放入多硫化物溶液中,在70~85℃搅拌反应12~24h,然后取出,用蒸馏水洗涤,在室温下与过氧化氢反应1h,可获得CNT-SO3H@不锈钢材料。
5.根据权利要求4所述的碳基结构整体固体酸催化剂的制备方法,其特征在于:所述金属盐为硝酸铁、硝酸钴或氯化铁。
6.根据权利要求4所述的碳基结构整体固体酸催化剂的制备方法,其特征在于:所述茂金属化合物为二茂铁、二茂镍或二茂钴,所述碳源为甲醇、乙醇或苯。
7.根据权利要求1所述的CNT-SO3H@不锈钢材料在催化蒸馏制备生物柴油中的应用,其特征在于:将所述催化剂制作成特定形状,装填入催化蒸馏塔中,废弃油脂由塔顶自上而下流入塔内,塔底的甲醇经过加热后以气相进入塔内,进料油醇摩尔比为1:3~1:12,回流比0.33~4,反应温度70~250℃;反应产物一部分在甲醇气流的携带下,流入塔顶,大部分流向塔底,酯交换反应的产物甘油在反应条件下进一步转化为甘油酸、甘油醛、己醛二甲缩醛和丙烯醛二甲缩醛,油脂分解的短链烷烃也流向塔顶,可作为生物柴油成分。
8.根据权利要求7所述的CNT-SO3H@不锈钢材料在催化蒸馏制备生物柴油中的应用,其特征在于:在所述催化蒸馏塔塔顶设置了两步冷凝,第一步冷凝温度设定为90~120℃,第二步冷凝温度为常温。
9.根据权利要求7所述的CNT-SO3H@不锈钢材料在催化蒸馏制备生物柴油中的应用,3
其特征在于:所述催化剂的装填比例为500~2000kg/m,制成拉西环、θ环、层状或网状,以交错密集乱堆方式装填。
10.根据权利要求7所述的CNT-SO3H@不锈钢材料在催化蒸馏制备生物柴油中的应用,其特征在于:建立CNT-SO3H@不锈钢材料在催化蒸馏塔制备生物柴油的数学模型:其中XD:脂肪酸甲酯在液相的摩尔分数;
l:塔高。
说明书 :
一种新型碳基结构整体固体酸催化剂及其制备和在制备生
物柴油中的应用
技术领域
背景技术
璃炭、碳纳米管、石墨烯、石墨带、炭分子筛、等诸多形态,其中目前作为固体酸材料研究较
多的是多孔碳、碳纳米管和石墨烯。酸化过程根据材料的不同选择不同的路线,本研究主要
以碳纳米管为酸化对象。文献报道的酸功能化方式主要有四种,㈠将碳纳米管放入浓硝酸
与浓硫酸混合液中进行煮沸;㈡先在碳纳米管表面引入活泼基团,然后再用巯基取代,最后
氧化获得酸位㈢通过与多硫化物进行长时间反应引入巯基,然后经氧化获得酸位;㈣采用
含硫气体先对材料进行硫化,然后再氧化。本研究所用的支撑材料是不锈钢材料,如果采用
强酸和活泼化合物处理,支撑材料难以承受,采用含硫气体处理能进入碳管的硫元素有限,
所以本研究采用多硫化物进行硫化然后再氧化这一温和的过程。
其亲水性,降低磺酸根的流失,从而避免了催化剂活性过快下降的问题。
而若反应物中有油脂类化合物,会吸附在催化剂表面,链接在一起,难以过滤。因此需要把
碳纳米管长在不锈钢丝网/片上,以便于和油脂分离。
这种碳基结构固体催化剂制成相应的形状,装填入填料塔内,同时做为催化原件和分离原
件。由于支撑机构为不锈钢材料,具有良好的成型性和导热性,可以做成符合流体力学性能
的形状,同时保持塔内各点温度均匀。这种还具有良好的耐温性能,据报道,碳纳米管可在
o
400C有氧条件下持续作为催化材料或支撑材料使用,因此可在相对高的温度条件下催化
反应,大大提高催化剂的效率。克服了酸性离子交换树脂对温度过于敏感而且在有机溶剂
中易于溶胀的缺点。
化剂,无需进行预酯化,其本身就可以作为酯化反应的催化剂,同时由于在塔器内直接将反
应—分离过程耦合起来,产品直接就是高品位的生物柴油。
低了甲醇的消耗量,部分油脂也在反应条件下分解为短链烷烃流入塔顶,可作为生物柴油
成分,实现了一步法制备生物柴油,大大节省了工艺流程和投资
发明内容
硫化然后氧化而制得。
的保护下,氮气的流量30~90mL/min,从室温升温至750℃,并保持3小时,然后用H2还原
3h之后,氢气的流量5mL/min,自然冷却至室温,得到催化剂颗粒@不锈钢材料;
在800℃催化裂解30~60min,获得CNTs@不锈钢材料;
甲醇经过加热后以气相进入塔内,进料油醇摩尔比为1:3~1:12,回流比0.33~4,反应温
度70~250℃;反应产物一部分在甲醇气流的携带下,流入塔顶,大部分流向塔底,酯交换
反应的产物甘油在反应条件下进一步转化为甘油酸、甘油醛、己醛二甲缩醛和丙烯醛二甲
缩醛,油脂分解的短链烷烃也流向塔顶,可作为生物柴油成分。
定性好,易于做成各种形状,装填入催化蒸馏塔使用。
离作用的原件,将反应-分离过程耦合起来,此过程避免了繁琐的预酯化、纯化和后续分离
过程,同时还可以催化废油脂与甲醇酯交换反应的产物甘油转化为甘油醛、甘油酸、己醛二
甲缩醛和丙烯醛二甲缩醛等产物,大大强化了反应。最终可直接在塔顶、塔底获得纯度较高
的生物柴油产物。
附图说明
13-下取样口;14-再沸器;15-加热套;a1-第一温度计;a2-第二温度计;a3-第三温度计;
b1-油进口;b2-甲醇进口。
具体实施方式
气的保护下(氮气的流量30mL/min),从室温升温至750℃,并保持3小时,然后用H2(氢气
的流量5mL/min)还原3h。之后,自然冷却至室温,得到催化剂颗粒@不锈钢丝网/片。产
物的Raman光谱见图1, TEM透射电镜照片见图2,SEM扫描电镜照片见图3。
800℃催化裂解60min,获得CNTs@不锈钢丝网/片。光学照片见图4,SEM扫描电镜照片见
图5和6,TEM透射电镜见图7。
镜照片见图8,TEM透射电镜照片见图9。
保护下(氮气的流量60mL/min),从室温升温至750℃,并保持3小时,然后用H2(氢气的流
量5mL/min)还原3h。之后,自然冷却至室温,得到催化剂颗粒@不锈钢丝片。
在800℃催化裂解30min,获得CNTs@不锈钢丝片。
气的保护下(氮气的流量30mL/min),从室温升温至750℃,并保持3小时,然后用H2(氢气
的流量5mL/min)还原3h。之后,自然冷却至室温,得到催化剂颗粒@不锈钢丝网。
在800℃催化裂解40min,获得CNTs@不锈钢丝网。
保护下(氮气的流量30mL/min),从室温升温至750℃,并保持3小时,然后用H2(氢气的流
量5mL/min)还原3h。之后,自然冷却至室温,得到催化剂颗粒@不锈钢丝网。
800℃催化裂解60min,获得CNTs@不锈钢丝网。
状、网状等,装填入催化蒸馏塔(见图10)中,装填比例为2000kg/m,废弃油脂由塔顶自上
而下流入塔内,塔底的甲醇经过加热后以气相进入塔内,流量摩尔比(油醇比)为1:7,回
流比4,反应温度250℃,反应过程中甘油同步转化为甘油醛、甘油酸、己醛二甲缩醛和丙
烯醛二甲缩醛等产物,强化酯交换反应。在塔内反应后,棕榈酸甲酯等生物柴油产物流向
塔顶和塔底,其它油脂分解的短链烷烃也流向塔顶,可作为生物柴油成分。在塔顶设置了
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两步冷凝,第一步冷凝温度设定为120C,产物中的脂肪酸甲酯在该步被冷凝、取出,而甲
醇、少量的水和其它短链烷烃进入下一步冷凝,第二步冷凝温度为常温。最后可在塔顶、
塔底获得纯度较高的生物柴油产物。产物的气-质联用色谱见图11,其中:4-棕榈酸甲
酯CH3(CH2)14COOCH3;5-亚油酸甲酯 CH 3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOCH3;6-油酸甲酯
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOCH3;7-硬脂酸甲酯 CH3(CH2)16COOCH3。
数;l:塔高。产物在塔内各段的分布及模型值与实验值的对比结果分别见图12、13和14。
状、网状等,装填入催化蒸馏塔中,装填比例为500kg/m,废弃油脂由塔顶自上而下流入塔
内,塔底的甲醇经过加热后以气相进入塔内,流量摩尔比(油醇比)为1:12,回流比0.33,反
应温度120℃,在塔内反应后,棕榈酸甲酯等生物柴油产物流向塔顶和塔底,甘油在碳基结
构催化剂的催化下转化为甘油酸、甘油醛、己醛二甲缩醛和丙烯醛二甲缩醛等产物,强化酯
交换反应。在塔内反应后,棕榈酸甲酯等生物柴油产物流向塔顶和塔底,其它油脂分解的短
链烷烃也流向塔顶,可作为生物柴油成分。在塔顶设置了两步冷凝,第一步冷凝温度设定为
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90C,产物中的脂肪酸甲酯在该步被冷凝、取出,而甲醇、少量的水和其它短链烷烃进入下
一步冷凝,第二步冷凝温度为常温。最后可在塔顶、塔底获得纯度较高的生物柴油产物。
网状等,装填入催化蒸馏塔中,装填比例为1200kg/m,废弃油脂由塔顶自上而下流入塔内,
塔底的甲醇经过加热后以气相进入塔内,流量摩尔比(油醇比)为1:3,回流比2.1,反应温度
150℃,在塔内反应后,棕榈酸甲酯等生物柴油产物流向塔顶和塔底,甘油在碳基结构催化
剂的催化下转化为甘油酸、甘油醛、己醛二甲缩醛和丙烯醛二甲缩醛等产物,强化酯交换反
应。在塔内反应后,棕榈酸甲酯等生物柴油产物流向塔顶和塔底,其它油脂分解的短链烷烃
o
也流向塔顶,可作为生物柴油成分。在塔顶设置了两步冷凝,第一步冷凝温度设定为100C,
产物中的脂肪酸甲酯在该步被冷凝、取出,而甲醇、少量的水和其它短链烷烃进入下一步冷
凝,第二步冷凝温度为常温。最后可在塔顶、塔底获得纯度较高的生物柴油产物。
本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定
的为准。