預酯化-酯交換法利用餐飲廢油脂制備生物柴油

鄧秀琴，賀小平，高輝

（遼寧石油化工大學順華能源學院化學工程系，遼寧撫順113001）

預酯化-酯交換法利用餐飲廢油脂制備生物柴油

鄧秀琴，賀小平，高輝

（遼寧石油化工大學順華能源學院化學工程系，遼寧撫順113001）

以高酸值餐飲廢油脂和乙醇為原料，采用預酯化-酯交換法制備生物柴油。第一步為預酯化反應，控制反應溫度為70℃，最佳條件為：催化劑加入量為4%，反應時間為90min，帶水劑加入量為10%，乙醇加入量控制在醇酸摩爾比為6∶1，可使油脂酸值降至4mgKOH·g-1以下，滿足酯交換反應要求。第二步為酯交換反應，最佳條件是：醇油摩爾比為8∶1，堿性催化劑加入量為0.8%，反應溫度為70℃，反應時間為30min。本方法具有反應時間短、轉化率高，反應條件溫和，清潔環(huán)保等優(yōu)點。

餐飲廢油脂；高酸值；預酯化；酯交換；生物柴油

生物柴油由于其可再生、環(huán)境友好等優(yōu)點，是優(yōu)質的石油柴油代用品[1]。但是，以純動植物油脂為原料制造生物柴油的成本偏高，將廉價的餐飲廢油脂回收利用作為原料制造生物柴油，將是一個很好的方案。

酯交換法是目前研究和制備生物柴油的主要方法。該法是利用甲醇、乙醇等醇類物質，將甘油三酸酯（動植物油脂）中的甘油基取代下來，形成長鏈脂肪酸甲酯，從而縮短碳鏈長度，增加流動性并降低粘度，使之適合作為燃料使用[2]。均相堿催化法是成熟的酯交換反應工藝，但是要求油脂的酸值最好低于2mg KOH·g-1，最高不能超過4mg KOH·g-1[3]。餐飲廢油脂普遍酸值較高（一般為20～100mgKOH· g-1），為滿足這個要求，可對原料油脂用酸催化預酯化，然后再進行酯交換反應。從生物柴油研究現(xiàn)狀來看，現(xiàn)在的大量研究集中于利用動植物油脂或廢油脂與甲醇反應制備生物柴油，而針對利用乙醇制備脂肪酸乙酯（生物柴油）的研究則很少。這可能是由于已經證實的短碳鏈醇的酯交換反應速率快于長碳鏈醇這一事實[4]，但考慮到乙醇屬于可再生資源，來源廣泛，與甲醇相比，具有無毒、綠色環(huán)保等優(yōu)點，這也值得深入研究。所以，本文研究了利用廢油脂和乙醇作為原料制備生物柴油的酸催化預酯化-酯交換方法，發(fā)現(xiàn)反應條件溫和，產率較高，有進一步深入研究的意義。

1實驗部分

1.1 試劑與儀器

對甲苯磺酸，無水乙醇，環(huán)己烷，油酸，NaOH，KOH，Na2SO4，濃H2SO4，以上試劑均為分析純，高酸值廢油脂（酸值=51.82mgKOH·g-1），1%酚酞試劑，甘油（丙三醇）、CuSO4。

DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋，HJ-5型攪拌器；微量堿式滴定管（10mL）；721分光光度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 預酯化反應在裝有攪拌器、溫度計和回流冷凝管的三口燒瓶中加入一定量的餐飲廢油脂和無水乙醇，然后加入催化劑對甲苯磺酸和帶水劑環(huán)己烷，并在三口燒瓶上安裝好分水器及冷凝管，調整好攪拌器的轉速，使用電熱恒溫水浴鍋加熱至70℃，在電動攪拌下控制反應溫度和反應時間直至反應結束。然后產物倒入分液漏斗中靜置分層，上層為乙醇、對甲苯磺酸層，下層為油脂層。通過測定酯化反應所得油脂的酸值評價酯化反應的效果，酸值越低則酯化率越高，酯化效果越好。酯化反應條件確定為：催化劑（對甲苯磺酸）加入量為4%，反應時間為90min，帶水劑加入量為10%，乙醇加入量應控制醇酸摩爾比為6∶1[5]，詳見文獻[5]。

1.2.2 酯化率的測定油脂酸值是根據(jù)國標GB/T 5530-2005方法[6]測定，根據(jù)反應前后酸值的變化即可確定反應的酯化率：酯化率=（反應前油脂酸值-反應后油脂酸值）/反應前油脂酸值×100%。

1.2.3 酯交換反應在同一裝置上進行酯交換反應，向三口燒瓶中加入已經預酯化處理的餐飲廢油脂（酸值為2.71mg KOH·g-1），恒溫水浴加熱至規(guī)定溫度后，加入一定量的、溶于一定量的無水乙醇中的Na OH和KOH（二者質量比為1∶1），攪拌反應一定時間后，待反應完成將反應產物置于分液漏斗中靜置分層。上層為脂肪酸乙酯（生物柴油）和乙醇的混合物，下層為甘油、未反應的甘油三酸酯等．取生物柴油與乙醇的混合物，在78～79℃下常壓蒸餾，使乙醇與脂肪酸乙酯分離。蒸餾的殘余物用計量的濃硫酸中和，水洗至中性。在洗滌好的殘余物中加入無水Na2SO4，充分振蕩，靜止10min，再過濾除去無水Na2SO4。然后干燥，得到黃色澄清透明的生物柴油產品。

1.2.4 酯交換反應轉化率的測定甘油是生物柴油生產過程的副產物，測定酯交換反應過程中甘油的含量可以檢測反應的進度[7，8]。本實驗以甘油銅比色法測定甘油含量來確定酯交換反應轉化率。如果在反應過程中取樣（酯層），先用NaOH堿液皂化，然后測定皂化液中甘油含量（計為C1），同時測出甘三酯（原料）中的甘油含量（計為C2），則轉化率=[（C2-C1）/C2×100%]，以此數(shù)據(jù)可以判斷酯交換反應進度[9]。

2結果與分析

2.1 利用正交設計實驗選擇最佳反應條件

在油脂的酯交換反應中，甘油三酸酯與醇在強酸或強堿催化作用下酯交換得到脂肪酸甲酯和甘油。按化學計量法計算，lmol甘油三酸酯需3mol醇進行酯交換。由于轉酯化反應是一個可逆反應，加入過量的醇有助于反應的繼續(xù)進行。但由于醇油不相溶性，反應只能在界面處發(fā)生，反應速率很慢，因此要加入催化劑，同時輔助一定速度的攪拌來促進反應進行。在醇類性質方面，隨著醇的碳鏈的增加，對油脂的溶解度相應提高，乙醇對油脂溶解性遠高于甲醇，如果使用乙醇進行酯交換反應，則乙醇既作為反應原料，又可同時作為共溶劑，使反應物更好的互溶，則能夠有效提高反應速率。綜合考慮，本實驗選擇乙醇與廢油脂進行酯交換反應，催化劑為價廉易得的質量比1∶1的NaOH和KOH混合物。影響酯交換轉化率的因素很多，如醇油摩爾比、反應時間、催化劑用量以及反應溫度等。為此通過設計正交實驗考察醇油摩爾比、催化劑用量、反應溫度、反應時間各因素對酯交換反應轉化率的影響，確定適宜反應條件。選用4因素3水平的正交表L9（34）來安排試驗，結果見表1。

表1 L9（34）正交實驗表及結果Tab.1L9（34）orthogonal experiment and results

根據(jù)各列極差（注：表中，k=K/3）的計算數(shù)值大小，可知本酯交換反應的4種因素的影響顯著性大小依次為：反應時間、反應溫度、醇油摩爾比和催化劑加入量。根據(jù)各列k1、k2、k3中的最大值，初步確定最佳反應條件為：A3（醇油摩爾比8∶1）B2（催化劑加入量0.8%）C1（反應溫度70℃）D1（反應時間1h）。下面詳細分析各因素對反應轉化率的影響。

為考察各因素對實驗結果影響的規(guī)律性，以反應轉化率為縱坐標，以4個因素各自的3個水平為橫坐標，繪制實驗結果與因素A、B、C、D的關系圖，見圖1～4。

2.2 反應時間對轉化率的影響

如圖1所示，反應的轉化率隨著反應時間由60min增加到120min而減少，特別是當反應時間由60min增加到90min時，轉化率的急劇下降，此后當反應時間增加到120min時，下降趨勢趨緩。這是由于酯交換反應是可逆的，當反應經一定時間達平衡后，過多延長反應時間并無益處，適當?shù)剡x擇反應時間對節(jié)約能源和提高轉化率非常重要。本圖不能找到最佳反應時間，后續(xù)再做關于反應時間的考察。

圖1 反應時間對轉化率的影響Fig.1Effect of reaction time on conversion rate

2.3 反應溫度對轉化率的影響

溫度是影響油脂酯交換反應的一個重要的因素，對大多數(shù)化學反應來說，溫度升高，反應速率增大。但本反應有所不同。

圖2 反應溫度對轉化率的影響Fig.2Effect of reaction temperature on conversion rate

由圖2可以看出，反應轉化率并不是隨著溫度的升高而一直增加，而是在70℃左右轉化率達到最大值，此后反應溫度升高轉化率反而明顯下降，這種現(xiàn)象是由于隨著溫度升高到75℃甚至80℃，接近或達到乙醇的沸點，導致體系中乙醇揮發(fā)，并且隨著反應進行，體系中的乙醇濃度降低更加明顯，因而使反應速率迅速下降。所以本反應的反應溫度不宜過高，考慮油脂為復雜混合物，其熔程大約在20～70℃，并且酯交換反應的正向反應為吸熱反應，所以反應溫度也不宜過低，按實驗數(shù)據(jù)，選擇在70℃為宜。

2.4 醇油摩爾比對轉化率的影響

圖3 醇油摩爾比對轉化率的影響Fig.3Effect of molar ratio of ethanol to oil on conversion rate

由圖3可知，反應的轉化率隨著醇油比的增大而增大。但當醇油比增大到6∶1后，轉化率的增大開始趨于緩慢。這是由于酯交換反應是一個可逆反應，在反應過程中，隨著醇油摩爾比由4∶1增加到6∶1，反應物乙醇濃度的增大會促使反應向正方向進行，但當醇油摩爾比由6∶1增加到8∶1時，乙醇過量過多反而會導致體系中油脂和乙醇參與反應的有效濃度降低，不能進一步提高反應轉化率。

2.5 催化劑加入量對轉化率的影響

由圖4可知,隨著催化劑加入量的增加，反應的轉化率先升高后降低,當催化劑濃度為0.8%時,轉化率最大。隨著催化劑用量的增加，為反應提供的OH-有效濃度增大，有利于反應速率的加快。但由于催化劑呈強堿性，其用量存在著一個最佳濃度范圍，過少則反應速率慢，過多則容易皂化，因此本反應將催化劑的加入量控制在0.8%。

圖4 催化劑加入量對酯化率的影響Fig.4Effect of catalyst amount on conversion rate

2.6 考察反應時間影響的單因素實驗

由于反應時間的考察不夠全面，在此固定醇油摩爾比為8∶1，催化劑加入量為0.8%，反應溫度為70℃，做考察反應時間對轉化率影響的單因素試驗，見表2。

表2 關于反應時間對轉化率影響的單因素實驗Tab.2Single factor experiment concerning the effect of reaction time on conversion rate

由表2可以看出，當反應時間由30min逐漸增加到60min，轉化率率的增加變得不明顯。這是因為酯交換反應是可逆反應，反應進行到30min時，基本達平衡，正逆反應速度相等，使轉化率變化不大。從節(jié)能增效的角度考慮，反應時間確定為30min。

2.7 生物柴油理化指標的檢測

對最佳制備工藝制得的生物柴油產品主要性能進行檢測，并與國家標準比較，見表3，主要性能均達到GB/T20828-2007標準要求[10]。

表3 產品主要性能指標比較Tab.3Comparison of performance evaluation index for biodiesel

由表3可以看出，生物柴油的這幾項指標均達到GB/T20828-2007的要求。

3結論

以預酯化–酯交換法利用餐飲廢油脂制備生物柴油的最佳反應條件確定為：

（1）預酯化步驟：催化劑（對甲苯磺酸）加入量為4%，反應時間為90min，帶水劑（環(huán)己烷）加入量為10%，乙醇加入量應控制醇酸摩爾比為6∶1。這個條件下，酯化率可達92%左右，所得產品的酸值為3.82mgKOH·g-1，滿足后續(xù)酯交換反應對原料油脂的酸值要求。

（2）酯交換反應步驟：醇油摩爾比為8∶1，堿性催化劑加入量為0.8%，反應溫度為70℃，反應時間為30min，轉化率達96.89%，制備出的生物柴油的主要性能指標符合GB/T20828-2007要求。

［1］馬鴻賓，李淑芬，王瑞紅，等.生物柴油技術的研究進展［J］.精細石油化工,2007,24（5）:70-73.

［2］陳文，王存文，張圣利.堿催化酯交換法制備生物柴油的研究［J］.化學與生物工程，2007，24（1）：38-40.

［3］嵇磊，張利雄，徐南平.利用高酸值餐飲廢油脂制備生物柴油［J］.石油化工，2007，36（4）：393-396．

［4］李為民，姚超.酯交換法制備生物柴油研究進展［J］.糧食與食品工業(yè)，2009，16（1）：9-13.

［5］鄧秀琴，喻育紅.高酸值廢油脂的對甲苯磺酸催化乙酯化反應［J］.應用化工,2013.

［6］中華人民共和國國家標準GB/T5530-2005/IS0660:1996.動植物油脂酸值和酸度測定［S］.北京：中國標準出版社，2005．

［7］鄒華生，李劍，陳文標.甘油銅分光光度法和HPLC測定生物柴油轉化率的比較研究［J］.中國油脂,2011,36（9）:82-84.

［8］劉偉偉,蘇有男,張無敵，等.生物柴油中甘油含量測定方法的研究［J］.可再生能源，2005，（3）：14-16.

［9］閻杰，丘泰球.甘油銅比色法測定甘油含量的研究［J］.中國油脂，2004，29（1）：40-43

［10］中華人民共和國國家標準GB/T20828-2007.柴油機燃料調合用生物柴油（BDl00）［S］.北京：中國標準出版社，2007.

Preparation of biodiesel by pre-esterification and transesterification method from waste cooking oil

DENG Xiu-qin，HE Xiao-ping，GAO Hui
（Department of Chemical Engineering Shunhua Energy College of Liaoning Petrochemical University,Fushun 113001,China）

Biodiesel was prepared from waste cooking oil with high acid value and ethanol by the method of pre-esterification and transesterification.The first step was pre-esterification reaction,reaction temperature was controlled at 70℃,and other optimal parameters of esterification were as follows:add amount of catalyst 4%，reaction time 90min,add amount of water-carrying agent 10%,ethanol add amount controlling at molar ratio of ethanol to acid 6∶1．In this step,oil’s acid value was reduced below 4 mgKOH·g-1,which met the demands of transesterification reaction.The second step was transesterification reaction,optimal parameters were as follows:molar ratio of ethanol to oil 8∶1,0.8%of base catalyst，reaction temperature 70℃and reaction time 30min.This method had the advantages of short reaction time,high conversion rate,mild condition，clean eco-friendly and so on．

waste cooking oil；high acid value；pre-esterification；transesterification；biodiesel

TQ645

A

1002-1124（2014）02-0055-04

2013-11-28

鄧秀琴（1971-），女，遼寧撫順人，講師，碩士，主要從事石油化學方面的研究與教學工作。