面向酯化反应的高效复合催化膜制备及微尺度特性

在生物柴油和相关酯化产业中，如何提高负载型固体催化剂的催化效率和使用寿命是亟待解决的关键科学问题。本课题提出结构-性能-工艺一体化设计的新思路，首先采用浸入沉淀相转化法，制备具有丰富微孔道结构的聚合物/无纺布内支撑型复合膜，再采用磺化技术在微孔道表面以化学键形式高密度接枝催化活性基团（-SO3H），制得新型催化膜，利用其微孔道结构的微传质- - 微反应的微尺度特性，实现催化膜的强化传质和高效催化。.着重探索无纺布结构对复合膜微孔道结构与性能的调控机制；研究磺化改性工艺中微孔道表面高密度接枝磺酸基团的关键控制因素，及与催化效率和使用寿命之间的规律性关系；研究物料在多孔膜微孔道中的强化传质过程及反应动力学，揭示高效催化机理。.本课题采用了新的膜结构调控方法，首次实现了催化膜结构和强化传质工艺的有机统一，可几何级数地提升催化膜的催化速率，为高效、绿色、连续化生物柴油及相关酯化生产奠定坚实的基础。

石油危机和能源安全已成为全球共同关注的问题。作为生物质能源的生物柴油被认为是提供液体补充能源的重要途径之一。.本文提出了面向生物柴油制备的磺化聚醚砜（SPES）/聚醚砜（PES）复合膜催化膜制备及膜反应器研究。研究SPES/PES/NWF复合催化膜膜结构和催化性能，探索了复合催化膜微结构控制规律，建立了孔径从0.13µm到2.65µm，孔隙率从32%到68%调控方法。设计固定床膜反应器，实现连续稳定运行。制备出满足我国GBT 20828和欧洲EN14214生物柴油标准的生物柴油。.基于平推流模型，考察了复合催化膜Flow-through工艺连续催化制备生物柴油反应过程的反应速率及转化率与复合膜物理参数和操作条件之间的关系，探索了反应过程传质阻力的影响规律，建立复合膜连续催化酯化反应动力学模型。发现当体积流速大于1.2 ml min-1时，外扩散阻力可以忽略。膜厚度大于1.779 mm时，孔隙率从68%到32%时内扩散不可以忽略。模型计算所得转化率与实验值十分吻合。.基于有机-无机基团键合作用，制得Na2SiO3化学连接在壳聚糖季铵盐（HTCC）的HTCC/Na2SiO3杂化型催化剂，并制作成杂化催化膜及膜反应器，在循环flow-through模式下，实现连续催化大豆油转酯化制备生物柴油。.为满足生物柴油制备催化酯交换过程的绿色化和高效化要求，还开展了阴、阳离子交换树脂填充固定床连续催化性能研究，建立以树脂作为非均相催化剂催化酯交换制备生物柴油的工艺路线。.同时还开展了植物甾醇酯的绿色催化研究，成功实现绿色催化，该研究不仅解决了工业生产中催化剂的残留污染问题，实现了绿色催化，而且还降低了植物甾醇酯产品分离提纯工艺的难度，显著降低了生产成本。.该工作改进了传统的复合膜和催化膜制备方法，研究了复合催化膜中催化传质，明晰了孔隙率、催化层厚度等膜结构参数以及流速与传质效率和催化效率的关系。为催化膜和膜反应器高效、绿色、连续化制备生物柴油和相关酯化生产奠定坚实的理论和技术基础..上述研究工作共发表研究论文17篇，其中SCI收录论文14篇，二区以上论文9篇；申请发明专利7项（包括1项PCT国际发明专利），实用新型1项，获得2项授权发明专利；催化膜反应器和离子交换树脂催化工艺已经应用到生产实践，产生巨大效益，获得纺织工业联合会科技一等奖和天津市科技进步二等奖等。完成项目任务书指标要