利用棉籽油和餐饮废油混合物制备生物柴油

郑艳萍,刘芳,孙看军,赵国虎,徐飞,李红彪

(兰州城市学院化学与环境科学学院,甘肃 兰州　730070)



利用棉籽油和餐饮废油混合物制备生物柴油

郑艳萍,刘芳,孙看军,赵国虎,徐飞,李红彪

(兰州城市学院化学与环境科学学院,甘肃 兰州730070)

摘要：以棉籽油和餐饮废油为原料，经预处理后采用两步酯化工艺制备生物柴油，通过正交试验筛选最佳工艺条件.预酯化反应的最佳条件为：醇油质量比1∶5，催化剂用量2.0%，反应温度80 ℃，反应时间2 h，酯化率达到81%；转酯化反应的最佳条件为：醇油质量比1∶4，催化剂用量1.4%，反应温度75 ℃，反应时间2 h，酯化率达到84%.与0#柴油性能指标对比，本试验制备所得的生物柴油达到了国家生物柴油标准.

关键词：棉籽油；餐饮废油；生物柴油

第一作者：郑艳萍(1986-)，女，助理实验师，硕士研究生，主要从事功能材料的研究.E-mail：zhengyanping729@126.com

目前，我国每年食用油消费量居高不下，随之产生的餐饮废油数量也相当惊人，寻找科学的处理方法迫在眉睫.生物柴油是一种含氧清洁能源，研究它具有很重要的现实意义[1-4].以餐饮废油为原料制备生物柴油，虽然可以变废为宝，降低生产成本，但由于餐饮废油来源复杂，杂质含量高[5]，使得生物柴油不仅产率低，质量不稳定，而且对环境的污染大.棉籽油相对于其他油品，具有以下优势：1)石化柴油的碳链长度分布在C15～C18范围，棉籽油中的脂肪酸碳链99%集中在C16和C18，两者的碳链非常接近；2)棉籽油与其他植物油相比价格较低[6-7].因此，将棉籽油添加在餐饮废油中混合制备生物柴油，不仅可以改善餐饮废油低的酯化率，而且有助于提高制备的生物柴油性能，实现了对资源的综合利用，变废为宝.但是目前关于这方面的研究甚少，大多数研究者都是单纯以某一种原料进行研究.因此，本试验将餐饮废油与棉籽油混合，采用化学法中的酯交换法[8-10]，经过两步酯化工艺，制备生物柴油.

1材料与方法

1.1仪器与试剂

722G型可见分光光度计,DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,电子分析天平,普通电子称，可控温烘箱,离心机等.

氢氧化钠、氢氧化钾、甘油,酚酞、无水乙醇、硫酸铜、硫酸、甲醇、无水硫酸钠、硫酸铝，均为分析纯.

1.2试验步骤

首先从兰州城市学院第二食堂采集餐饮废油，静置、过滤除去大块杂质后，将废弃油与棉籽油按质量比1∶1进行混合，加热升温至70 ℃，加入油量1%的硫酸铝，搅拌30 min，静置24 h以上，取上层清液，备用.

接着向三口烧瓶中加入100 g上述上层清液，设计L9(34)正交试验(表1).反应结束后，倒入分液漏斗中静置分层1 h，分离上层清液，用60 ℃的水洗至中性，测定酸值备用.

表1　预酯化反应试验因素

取上述预酯化反应后的油酯，加入一定量的氢氧化钾和甲醇，然后在一定的温度(水浴加热)下反应(表2).反应完毕后，在分液漏斗中沉降4 h，分离出上下层液体.

最后将转酯化反应的粗柴油加入蒸馏装置中，蒸出沸点较低的甲醇，冷却至室温后先加双氧水脱色，后加入油重10%的无水硫酸钠(静置24 h)脱水，即得目标产物.

表2　酯交换反应试验因素

2结果与讨论

2.1预酯化反应正交试验结果

预酯化反应时，影响该原料酸值的因素有浓硫酸的用量、甲醇用量、反应温度、反应时间.以混合油的酸值为考察指标.试验结果见表3.

表3　预酯化反应结果

由表4的极差分析可知，制备生物柴油酸值影响次序分别为：反应温度>甲醇用量>浓硫酸用量>反应时间.在此试验过程中反应温度不宜过高，这是因为温度过高使甲醇的蒸发增加，降低了甲醇的含量，会影响试验结果.因此预酯化反应的最佳条件为：硫酸2%，甲醇20%，反应温度80 ℃，反应时间2 h，在此条件下，反应温度和甲醇用量对酯化率的影响较大.

表4　　预酯化反应结果极差分析

2.2酯交换反应正交试验结果

以氢氧化钾为催化剂，混合油通过发生酯交换反应制备生物柴油，影响酯化率的主要因素有甲醇用量、氢氧化钾用量、反应温度、反应时间.以混合油的酯化率(生物柴油的含量)作为考察标准，采用正交试验的方法优化混合油酯交换反应条件.正交试验结果见表5.

表5　转酯化反应结果

要计算酯化率，必须计算出甘油的试验测定值，甘油的试验测定值可由表6和图1计算得出.

表6　甘油标准溶液的吸光度

图1　甘油含量的标准曲线Fig.1　the standard curve of glycerol content

由极差分析可知，影响酯交换反应酯化率的因素依次为：反应温度>反应时间>氢氧化钾用量>甲醇用量.通过分析可知，生物柴油的含量随着氢氧化钾加入量的增加而增加，但并不是氢氧化钾的加入量越高越好，若氢氧化钾的浓度过高，可能会产生大量皂类，因此氢氧化钾加入量为1.4%较适宜.根据试验结果，酯交换反应的最优条件为：反应温度75 ℃、反应时间2 h、氢氧化钾1.4%、甲醇25%.并且在本试验所选的条件下，反应温度和反应时间对酯化率的影响较大.

表7　转酯化反应结果极差分析

2.3制备的生物柴油性能

试验制备的生物柴油和0#柴油性能比较见表8.

表8　生物柴油与0#柴油的性能对比

*：GB252～2540标准

由表8中数据可以看出，生物柴油主要性能指标符合国家生物柴油标准(GB252～2540).

3结论

1)以棉籽油与地沟油混合物为原料，采用两步酯化工艺制备生物柴油.第一步是预酯化反应，主要将混合油中的游离态脂肪酸转化为脂肪酸甲酯；第二为转酯化反应，进一步将混合油中的甘三酯转化为甲酯.

2)通过正交试验得到预酯化反应的最佳条件为：醇油质量比1∶5，催化剂用量为2.0%，反应温度80 ℃，反应时间2 h,酯化率达到81%；转酯化反应的最佳条件为：醇油质量比1∶4，催化剂用量1.4%，反应温度75 ℃，反应时间2 h，酯化率达到84%.经与0#柴油指标相比，制备所得的生物柴油各项指标均达到了国家生物柴油的标准.

3)根据分析可知，影响预酯化反应产物酸值的大小顺序为：反应温度>甲醇用量>浓硫酸用量

>反应时间.影响酯交换反应酯化率的因素大小依次为：反应温度>反应时间>氢氧化钾用量>甲醇用量.

参考文献

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[3]吴娜，赵武云，田斌，等.高原地区双燃料发动机功率性能试验[J].甘肃农业大学学报,2014,49(6):171-174

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[5]王涛,谢文磊,李会,等.废餐饮油酯交换制备生物柴油研究进展[J].中国油脂,2010,35(5):48-52

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[7]杨伟华，许红霞，王延琴，等．应用棉籽油生产生物柴油的可行性分析[J]．中国棉花，2007，34(1)：41-42

[8]岳金方,左春丽,黄琴.地沟油制备生物柴油的研究进展[J].广州化工,2010,38(12):84-86

[9]孟凡清,王德民,张大年，等.生物柴油的制备研究[J].化学世界,2004，45(7)：359-361

[10]吴谋成.生物柴油[M].北京:化学工业出版社,2008

(责任编辑胡文忠)

Preparation of biodiesel by using cottonseed oil

and mixed waster cooking oil

ZHENG Yan-ping,LIU Fang,SUN Kan-jun,ZHAO Guo-hu,XU Fei,LI Hong-biao

(College of Chemistry and Environmental Science,Lanzhou City University,Lanzhou 730070)

Abstract：A kind of biodiesel based on cotton seed oil and waste cooking oil was successfully prepared by a two-step process method.Through orthogonal experiment,the optimum conditions were obtained for pre-esterification as follows: the mass ratio of methanol to oil 1∶5,amount of catalyst was 2%,reaction temperature 80 ℃,reaction time 2 h,the esterification rate was over 81%.The optimum conditions of transesterification obtained were as follows: the mass ratio of methanol to oil 1∶4,amount of catalyst was 1.4%,reaction temperature 75 ℃,reaction time 2 h,the esterification rate was over 84%.The major properties of the biodiesel are up to the national biodiesel standards.

Key words：cottonseed oil;waste cooking oil;biodiesel

收稿日期：2014-11-01；修回日期：2015-03-08

中图分类号：U 473.1

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)06-0156-03