磁性磺化碳基微米中空纤维制备及其催化废油脂合成生物柴油性能评价

利用废油脂原料是生物柴油产业未来的发展方向，而开发高性能固体酸催化剂是其中最为重要的一个环节。本课题首次提出以葡萄糖和铁盐为原料，采用有机凝胶先驱体转化法，结合不完全碳化和磺化工艺，制备磁性磺化碳基微米中空纤维，用于催化废油脂合成生物柴油。课题拟以葡萄糖-铁体系为对象，研究凝胶先驱体可纺性、碳化和磺化工艺条件及相形成过程与微米纤维组成、结构及特性之间的关系，优化制备工艺过程，实现比表面积、相分布、化学组成、晶粒尺度及纤维直径等的可控。同时，探索微米纤维的化学组成、微观结构、晶粒和直径大小、长径比等因素对其催化特性的影响规律，认识和揭示磁性磺化碳基微米纤维和反应物之间作用的内在机制。从而通过调控微米中空纤维的组成、微观结构及形貌，以获取最佳的催化性能，并利用磁性组分简化催化剂的分离和回收过程。最终开发出碳基微米纤维的高效、低成本制备新技术，为这种新型催化剂的工业化应用奠定基础。

随着石油资源的日益枯竭和人们环保意识的逐步提高，生物柴油已经成为科学研究的热点。目前制备生产生物柴油过程中广泛采用均相酸碱催化剂, 虽然其反应效率高，但存在是产物与催化剂分离困难、设备腐蚀和环境污染严重等问题。固相催化是近些年发展起来的新型催化技术，由于其具有反应条件温和，催化剂可重复使用，容易采用自动化连续生产，以及对环境无污染等优点，而被越来越多的应用在生物柴油生产过程中。.本项目首次通过有机凝胶先躯体法制备出催化剂寿命长、低成本、比表面较大、具有强磁性易于分离回收的Fe/C-SO3H中空纤维材料，并将其运用于催化废油脂和甲醇的酯化反应来制备生物柴油。具体研究试验如下：.1、首先以葡萄糖和金属盐为原料，采用有机凝胶先躯体法制备前躯体纤维，在氮气气氛下煅烧得到中空纤维Fe/C。再经过浓硫酸磺化引入磺酸基团得到目标催化剂Fe/C-SO3H纤维。利用SEM、XRD、FT-IR 、VSM 、BET等表征手段对Fe/C-SO3H纤维的微观形貌、结构、物相组成、磁性能、比表面积、孔径大小进行了表征分析，优化了Fe/C-SO3H纤维的碳化、磺化处理工艺。验证了在外加磁场作用下Fe/C-SO3H纤维可有效的简化催化剂分离回收过程。.2、将所制备的Fe/C-SO3H中空纤维用于催化甲醇与废油脂进行酯化反应，通过测量生物柴油转化率，考察了醇酸摩尔比、催化剂的用量、反应温度、反应时间以及催化剂重复使用次数对转化率的影响。结合单因素实验分析研究Fe/C-SO3H催化制备生物柴油的最佳反应条件。在最佳的反应条件下，废油脂的转化率达到90%以上。同时，通过外加磁场可以对催化剂进行回收，当回收重复使用10次后，废油脂转化率仍高于80%。.综上所述，所制备的Fe/C-SO3H固体酸催化剂纤维相对于传统的固体酸催化剂，具有比表面积大，催化活性高，可快速回收和重复利用等特点。Fe/C-SO3H的成功制备为生物柴油催化工艺的提高提供了理论和实践基础。