利用棉籽油和餐飲廢油混合物制備生物柴油

鄭艷萍,劉芳,孫看軍,趙國虎,徐飛,李紅彪

(蘭州城市學院化學與環(huán)境科學學院,甘肅 蘭州　730070)

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利用棉籽油和餐飲廢油混合物制備生物柴油

鄭艷萍,劉芳,孫看軍,趙國虎,徐飛,李紅彪

(蘭州城市學院化學與環(huán)境科學學院,甘肅 蘭州730070)

摘要：以棉籽油和餐飲廢油為原料，經(jīng)預處理后采用兩步酯化工藝制備生物柴油，通過正交試驗篩選最佳工藝條件.預酯化反應的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶5，催化劑用量2.0%，反應溫度80 ℃，反應時間2 h，酯化率達到81%；轉(zhuǎn)酯化反應的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶4，催化劑用量1.4%，反應溫度75 ℃，反應時間2 h，酯化率達到84%.與0#柴油性能指標對比，本試驗制備所得的生物柴油達到了國家生物柴油標準.

關鍵詞：棉籽油；餐飲廢油；生物柴油

第一作者：鄭艷萍(1986-)，女，助理實驗師，碩士研究生，主要從事功能材料的研究.E-mail：zhengyanping729@126.com

目前，我國每年食用油消費量居高不下，隨之產(chǎn)生的餐飲廢油數(shù)量也相當驚人，尋找科學的處理方法迫在眉睫.生物柴油是一種含氧清潔能源，研究它具有很重要的現(xiàn)實意義[1-4].以餐飲廢油為原料制備生物柴油，雖然可以變廢為寶，降低生產(chǎn)成本，但由于餐飲廢油來源復雜，雜質(zhì)含量高[5]，使得生物柴油不僅產(chǎn)率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，而且對環(huán)境的污染大.棉籽油相對于其他油品，具有以下優(yōu)勢：1)石化柴油的碳鏈長度分布在C15～C18范圍，棉籽油中的脂肪酸碳鏈99%集中在C16和C18，兩者的碳鏈非常接近；2)棉籽油與其他植物油相比價格較低[6-7].因此，將棉籽油添加在餐飲廢油中混合制備生物柴油，不僅可以改善餐飲廢油低的酯化率，而且有助于提高制備的生物柴油性能，實現(xiàn)了對資源的綜合利用，變廢為寶.但是目前關于這方面的研究甚少，大多數(shù)研究者都是單純以某一種原料進行研究.因此，本試驗將餐飲廢油與棉籽油混合，采用化學法中的酯交換法[8-10]，經(jīng)過兩步酯化工藝，制備生物柴油.

1材料與方法

1.1儀器與試劑

722G型可見分光光度計,DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,電子分析天平,普通電子稱，可控溫烘箱,離心機等.

氫氧化鈉、氫氧化鉀、甘油,酚酞、無水乙醇、硫酸銅、硫酸、甲醇、無水硫酸鈉、硫酸鋁，均為分析純.

1.2試驗步驟

首先從蘭州城市學院第二食堂采集餐飲廢油，靜置、過濾除去大塊雜質(zhì)后，將廢棄油與棉籽油按質(zhì)量比1∶1進行混合，加熱升溫至70 ℃，加入油量1%的硫酸鋁，攪拌30 min，靜置24 h以上，取上層清液，備用.

接著向三口燒瓶中加入100 g上述上層清液，設計L9(34)正交試驗(表1).反應結(jié)束后，倒入分液漏斗中靜置分層1 h，分離上層清液，用60 ℃的水洗至中性，測定酸值備用.

表1　預酯化反應試驗因素

取上述預酯化反應后的油酯，加入一定量的氫氧化鉀和甲醇，然后在一定的溫度(水浴加熱)下反應(表2).反應完畢后，在分液漏斗中沉降4 h，分離出上下層液體.

最后將轉(zhuǎn)酯化反應的粗柴油加入蒸餾裝置中，蒸出沸點較低的甲醇，冷卻至室溫后先加雙氧水脫色，后加入油重10%的無水硫酸鈉(靜置24 h)脫水，即得目標產(chǎn)物.

表2　酯交換反應試驗因素

2結(jié)果與討論

2.1預酯化反應正交試驗結(jié)果

預酯化反應時，影響該原料酸值的因素有濃硫酸的用量、甲醇用量、反應溫度、反應時間.以混合油的酸值為考察指標.試驗結(jié)果見表3.

表3　預酯化反應結(jié)果

由表4的極差分析可知，制備生物柴油酸值影響次序分別為：反應溫度>甲醇用量>濃硫酸用量>反應時間.在此試驗過程中反應溫度不宜過高，這是因為溫度過高使甲醇的蒸發(fā)增加，降低了甲醇的含量，會影響試驗結(jié)果.因此預酯化反應的最佳條件為：硫酸2%，甲醇20%，反應溫度80 ℃，反應時間2 h，在此條件下，反應溫度和甲醇用量對酯化率的影響較大.

表4　　預酯化反應結(jié)果極差分析

2.2酯交換反應正交試驗結(jié)果

以氫氧化鉀為催化劑，混合油通過發(fā)生酯交換反應制備生物柴油，影響酯化率的主要因素有甲醇用量、氫氧化鉀用量、反應溫度、反應時間.以混合油的酯化率(生物柴油的含量)作為考察標準，采用正交試驗的方法優(yōu)化混合油酯交換反應條件.正交試驗結(jié)果見表5.

表5　轉(zhuǎn)酯化反應結(jié)果

要計算酯化率，必須計算出甘油的試驗測定值，甘油的試驗測定值可由表6和圖1計算得出.

表6　甘油標準溶液的吸光度

圖1　甘油含量的標準曲線Fig.1　the standard curve of glycerol content

由極差分析可知，影響酯交換反應酯化率的因素依次為：反應溫度>反應時間>氫氧化鉀用量>甲醇用量.通過分析可知，生物柴油的含量隨著氫氧化鉀加入量的增加而增加，但并不是氫氧化鉀的加入量越高越好，若氫氧化鉀的濃度過高，可能會產(chǎn)生大量皂類，因此氫氧化鉀加入量為1.4%較適宜.根據(jù)試驗結(jié)果，酯交換反應的最優(yōu)條件為：反應溫度75 ℃、反應時間2 h、氫氧化鉀1.4%、甲醇25%.并且在本試驗所選的條件下，反應溫度和反應時間對酯化率的影響較大.

表7　轉(zhuǎn)酯化反應結(jié)果極差分析

2.3制備的生物柴油性能

試驗制備的生物柴油和0#柴油性能比較見表8.

表8　生物柴油與0#柴油的性能對比

*：GB252～2540標準

由表8中數(shù)據(jù)可以看出，生物柴油主要性能指標符合國家生物柴油標準(GB252～2540).

3結(jié)論

1)以棉籽油與地溝油混合物為原料，采用兩步酯化工藝制備生物柴油.第一步是預酯化反應，主要將混合油中的游離態(tài)脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯；第二為轉(zhuǎn)酯化反應，進一步將混合油中的甘三酯轉(zhuǎn)化為甲酯.

2)通過正交試驗得到預酯化反應的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶5，催化劑用量為2.0%，反應溫度80 ℃，反應時間2 h,酯化率達到81%；轉(zhuǎn)酯化反應的最佳條件為：醇油質(zhì)量比1∶4，催化劑用量1.4%，反應溫度75 ℃，反應時間2 h，酯化率達到84%.經(jīng)與0#柴油指標相比，制備所得的生物柴油各項指標均達到了國家生物柴油的標準.

3)根據(jù)分析可知，影響預酯化反應產(chǎn)物酸值的大小順序為：反應溫度>甲醇用量>濃硫酸用量

>反應時間.影響酯交換反應酯化率的因素大小依次為：反應溫度>反應時間>氫氧化鉀用量>甲醇用量.

參考文獻

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(責任編輯胡文忠)

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

中圖分類號：U 473.1

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2015)06-0156-03