短孔道酸碱双功能SBA-15催化剂的构筑及其协同催化酯化与酯交换反应

Biodiesel is an important part of green renewable energy which plays an important role in the green energy research. The current esterification and transesterification two-step preparation of biodiesel has some defects. We propose a new way for the synthesis of biodiesel by the synergistic catalysis on esterification and transesterification. Some acid-base bifunctional short-channel mesoporous molecular sieve catalysts are designed, which can catalize esterification and transesterification simultaneously. It can be very beneficial to reduce the channel length in order to facilitate diffusion of molecules to active sites when these materials are used in catalysis. By studying the surface of the dielectric properties of the molecular sieve catalysts and the acid-base properties of the supporter, the structure-activity relationships and reaction mechanism for the synergistic catalysis on esterification and transesterification will be revealed. We expect to propose a new method for the synthesis of biodiesel by the synergistic catalysis on esterification and transesterification, and promote the application of innovation in green renewable energy.

生物柴油是一种可再生利用绿色洁净能源。2015年国家能源局发布《生物柴油产业发展政策》，提出废弃油脂非食用油料合成生物柴油的发展策略。面对高酸值废弃油脂非食用油料，现有酸碱二步法合成生物柴油工艺复杂、酸碱废水排放多，阻碍了其应用发展。本项目构筑一种短孔道酸碱双功能SBA-15催化剂协同催化酯化和酯交换一步合成生物柴油的新方法，主要研究：1）短孔道酸碱双功能催化剂的构效与性能关系；2）短孔道酸碱双功能催化剂的抗酸性；3）酸碱双功能协同催化酯化与酯交换的反应机制。通过金属掺杂调控催化剂孔类型大小与长度，减小长链油脂分子孔扩散阻力与沉积，提高催化剂活性和重复使用性；调控催化剂载体掺杂金属与嫁接酸碱基团种类、大小及比例，揭示短孔道酸碱双功能催化剂协同催化酯化与酯交换并抗游离脂肪酸对碱性位破坏的作用机制，为短孔道酸碱双功能SBA-15催化剂一步协同催化酯化和酯交换合成生物柴油提供理论基础与技术依据。

原申报项目“短孔道酸碱双功能SBA-15催化剂的构筑及其协同催化酯化与酯交换反应”为四年期面上项目，获批以后为二年期面上项目，故适当删减并调整原申报研究内容。考虑到催化酯交换反应主要为碱催化，而均相液碱催化难回收重复使用且产生中和废水，故调整原申报项目为“短介孔硅基/金属基固体碱催化酯交换反应合成生物柴油”，经费预算按现资助经费做相应调整。. 生物柴油是可再生利用绿色洁净能源。按照国家倡导废弃非食用油脂合成生物柴油的发展策略，面对现有酸碱二步法合成生物柴油工艺复杂、酸碱废水排放多问题，项目设计制备系列短介孔硅基/金属基固体碱，旨在高效催化酯交换反应合成生物柴油，主要研究内容：（1）设计制备系列单、双金属硅基介孔固体碱KF/M-SBA-15，考察其结构表征；（2）设计制备系列介孔硅基/金属基超强固体碱高效催化酯交换反应合成生物柴油。. 实验发现：将所研制SBA-15硅基介孔固体碱KF/M-SBA-15用于催化甲醇与油脂催化酯交换80℃反应6h，生物柴油收率90%，由于所负载金属氧化物保护层影响所负载碱性位数量，导致催化油脂断裂酯交换碱度不够，另外回收催化剂遇水易失活、且再次活化焙烧时所负载碱性物种易与硅基载体反应腐蚀硅基载体，并引起硅基载体介孔塌陷或碱性物种脱落，影响催化剂稳定与重复使用性。针对此问题，在硅基介孔上添加Mg、Al、La、Ce保护层、Zr短孔剂、强碱性物种KF、CaO、有机胍等，研制出系列高催化活性且具有一定耐水性与重复使用性的复合介孔硅/金属基负载KF的超强固体碱，催化酯交换反应合成生物柴油，质量收率达98%以上，具有超强固体碱催化剂制备方法及应用前景。. 研究成果在Catalysis Science & Technology（影响因子5.773）、ChemCatChem（影响因子4.803）发表论文3篇、授权发明专利3件，另4篇英文论文投稿之中、13件发明专利审定之中。