复合超声辅助生物润滑油合成及机理研究

The promotion mechanism of chemical reaction with the multi-frequency ultrasound synergistic function has not researched deeply and clear. In order to study the question, synthesis of biodegradable lubricant with epoxy biodiesel is as the research object in this paper. The process and kinetics of biodegradable lubricant synthesis under multi-frequency ultrasonic field will be studied, and the sample epoxide number changes and the value of conversion will be investigated with different ultrasonic intensity, frequency, synergistical methods. The relationship between performance and structure of the reaction products will be determined with the help of infrared, scanning electron microscopy, thermo-gravimetric analysis, nuclear magnetic resonance, pressurized differential scanning calorimetry analysis, and the specific process parameters optimization of the reaction system is studied. Based on above-mentioned research objects, effects of multi-frequency ultrasonic on the epoxy ring opening and esterification reaction kinetics of epoxy biodiesel will be investigated. Meanwhile,the intrinsic mechanism of reaction process promoting by multi-frequency ultrasonic method will be expounded when the mechanism of multi-frequency ultrasonic propagation and strengthen mass transfer in the reaction system is further researched. The above-mentioned expecting results will improve the theoretical basis and technical support in order to obtain a new efficiency and strong applicability method of the biodegradable lubricant synthesis using ultrasonic enhancing method.

复合超声场协同促进化学反应过程作用机理目前研究尚不深入，本课题选择以环氧生物柴油合成生物润滑油为研究对象，研究复合超声场作用下生物润滑油的合成工艺和反应动力学，分析超声声强、频率、协同作用方式等条件下环氧生物柴油转化率的变化；借助红外、扫描电镜、、核磁共振；热重分析、加压差示扫描量热分析等分析技术，确定反应产物性能和结构间的关系，并优化筛选特定工艺参数，在此基础上研究复合超声对环氧生物柴油开环酯化反应的影响和动力学行为，进一步通过研究复合超声场在反应体系中传播规律和强化传质机制，揭示复合超声促进反应过程的内在机理，为获取一种高效、适用性强的超声促进生物润滑油合成新方法提高理论依据和技术支持。

项目执行期间，先后完成了生物柴油合成及环氧化制备环氧生物柴油；超声辅助环氧生物柴油合成生物润滑油基础油工艺及动力学研究；超声强化机理研究及多频超声反应器研制等工作。比较顺利的执行了项目的研究计划和内容，实现了课题的研究目标。. 课题通过单因素和正交实验确定了超声强化乙醇醚化环氧甲酯开环反应的最佳工艺条件为：醇油摩尔比4:1、反应温度70℃、反应时间8h、催化剂用量为环氧甲酯质量的1.5%、超声功率450w。复合超声作用方式为：480 W（40 KHz）为和400 W (28 KHz)、反应温度70 ℃、反应时间6h、催化剂NaHSO4用量为1.5% 和醇油摩尔比4:1。对复合超声强化生物柴油衍生产物-环氧甲酯合成和环氧甲酯开环反应试验结果表明，复合超声对环氧甲酯开环强化作用大于环氧化反应不明显。各复频设置下的超声强化反应转化率均低于40HKz+480w单频设置下的转化率。证明在本实验条件下，复频设置相较于单频设置没有显著优势。. 通过动力学学模型建立及模拟，得到乙醇开环反应的表观活化能分别为39.41 kJ/mol和57.228 kJ/mol，指前因子分别为6.11×105 h-1和1.416×108 h-1。显然，超声强化开环反应所需的活化能更低，反应速率常数更大，能够在更短时间内达到平衡，这与单因素实验结果是一致的。双频复合超声条件下指前因子为1.608×108 h-1。开环反应的表观活化能为56.8259kJ/mol，则与常规机械搅拌动力学参数差不明显。. 研究发现，合成的改性润滑油基础油的理化性能和摩擦性能都得到改善，尤其超声条件下制备的产物性能较佳，研究还通过从磨斑表面形貌和元素分析探讨了抗磨机理。通过对不同醇类超声改性环氧生物润滑油的产物对比可得出结论，直链醇更容易反应，而支链醇可以获得更好的粘度和摩擦性能。. 课题在Rayleigh-Plesset 方程基础上推导复合超声空化泡动力学方程，并用Matlab数学软件来进行计算和模拟，求解方程，对超声空化泡动力学行为进行了模拟，分别对超声频率、功率、环境条件等方面进行了分析。同时研制了一种三维正交的超声化学反应器及声化学分布场研究装置。 . 本课题的研究工作有助于了解今后超声强化在化学化工中的应用实践，可为超声强化过程提供一定的借鉴。