由菜籽油制备生物柴油的实验方案化强0601 石磊丁佐纯目录一．文献综述1．生物柴油简介2．目前制备生物柴油的方法3．本实验所采用的制备方法及各实验参数的选择及其理论依据二．实验目的三．实验原理1．生物柴油的制备原理2．碘值的测定原理3．酸价的测定原理四．实验用品1．实验仪器2．实验药品五．实验步骤1．生物柴油的制备2．粗产物的处理3．碘值的测定4．酸价的测定六．实验结束七．本实验所参考的文献一览★★注：若实验中能够提供超声装置用来替代搅拌装置，一则可以大大缩短反应时间（从原来的1.5—2小时缩短为10分钟左右），又节约了能源同时提高了转化率。
一、文献综述1、生物柴油简介1.1目前燃料情况能源和环境问题是全球性问题，日益紧缺的石油资源和不断恶化的地球环境使得各国政府都在积极寻求适合的替代能源。
我国在醇类代用燃料方面已经开展了大量的研究工作，但用粮食生产醇类代用燃料转化能耗高，配制汽油代用燃料不能直接在现有汽车中使用也是一个不容回避的现实问题。
而大量研究资料表明，生物柴油在燃烧性能方面丝毫不逊于石化柴油，而且可以直接用于柴油机，被认为是石化柴油的替代品。
1.2什么是生物柴油生物柴油即脂肪酸甲酯，由可再生的油脂原料经过合成而得到，是一种可以替代普通柴油使用的清洁的可再生能源。
1.3生物柴油的优点1.3.1 能量高，具有持续的可再生性能。
1.3.2具有优良的环保特性：①生物柴油中不含硫，其大量生产和使用将减少酸雨形成的环境灾害；生物柴油不含苯及其他具有致癌性的芳香化合物。
②其中氧含量高，燃烧时一氧化碳的排放量显著减少；③生物柴油的可降解性明显高于矿物柴油；④生物柴油燃烧所排放的ＣＯ２，远低于植物生长过程中所吸收的ＣO2 ，因此使用生物柴油，会大大降低ＣＯ２的排放和温室气体积累。
1.3.3具有良好的替代性能：①生物柴油的性质与柴油十分接近，可被现有的柴油机和柴油配送系统直接利用。
②对发动机，油路无腐蚀、喷咀无结焦、燃烧室无积炭。
具有较好的润滑性能，使喷油泵、发动机缸体和连杆磨损率降低。
1.3.4由于闪点高，不属危险品，储存、运输、使用较为安全。
总之，发展生物柴油具有调整农业结构、增加社会有效供给、改善生态环境、缓解能源危机、增加就业机会等多方面重要意义。
1.4 由菜籽油制生物柴油的有利之处尽管许多木本油料都可以加工为生物柴油,但规模有限,其他油料作物扩大面积的潜力有限,而油菜具有适应范围广，化学组成与柴油相近等特点,是我国发展生物柴油最理想重要的原料来源。
种油菜不与主要粮食争地，且增肥地力，较同期冬小麦早熟半月，有利于后荐作物增产。
所以，油菜原料的增长空间是非常大的。
据统计,在不影响粮食生产的情况下,我国有2670万hm2以上的耕地可用于发展能源油菜生产,年生产4000万t 生物柴油,相当于建造1.5个永不枯竭的绿色大庆,具有十分重要的战略意义。
2、目前制备生物柴油的方法生物柴油的制备方法有物理法和化学法。
物理法包括直接使用法、混合法和微乳液法；化学法包括高温热裂解法和酯交换法。
2.1 直接使用法即直接使用植物油作燃料.由于植物油黏度高、含有酸性组分,在贮存和燃烧过程中发生氧化和聚合以至于发动机内沉积多、喷油嘴结焦、活塞环卡以及排放性能不理想等问题,后来便被石油柴油所取代。
2.2 混合法混合法是将植物油与石油柴油按不同的比例直接混合使用. Anon在柴油中掺入了95%的回收煎炸油,发现每运行4~4.5km就必须更换润滑油,这是因为植物油的高黏度引起不饱和成分的聚合使润滑油变质.2.3 微乳液法微乳液有两种:一是将动植物油与甲醇、乙醇等溶剂混合成微乳状液,来解决动植物油的高黏度. 但在实验室规模的耐久性试验中,发现注射器针经常黏住,积碳严重,燃烧也不完全.另一种是将生物柴油与溶剂形成微乳液,所得燃料的完全燃烧性能得到了很大提高.但微乳液在低温下并不稳定,微乳液中的醇具有一定的吸水性.2.4 高温热裂解法高温热裂解法是在热或热和催化剂共同作用下,在空气或氮气流中将化学键断裂而产生小分子.Schwab等对大豆油热裂解的产物进行分析,发现烷烃和稀烃的含量很高,约占总质量的66%,十六烷值高于豆油和石油柴油,热值与石油柴油相近.裂解产物的粘度虽比大豆油下降约22.4%,但还是比石油柴油高6.1%~8.3%.2.5 酯交换法目前工业生产生物柴油的主要方法是酯交换法,即用各种动物和植物油脂与甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等低碳醇在催化剂作用下反应而成.因甲醇价格低廉,故常用甲醇.酯交换法又包括:酸或碱催化法、生物酶法、工程微藻法和超临界甲醇法.2.5.1 酸或碱催化法油脂在酸或碱的催化条件下与甲醇进行转酯化反应,反应后分去下层粗甘油,粗甘油经回收后具有较高的附加值;上层经洗涤、干燥即得生物柴油.反应主要的影响因素有四个:醇油比、催化剂用量、反应时间和反应温度,其中最重要的因素是醇油比和催化剂用量.酸催化酯交换适用于脂肪酸和水含量高的油脂(主要是废弃油)制备生物柴油,产率较高,但反应速率慢,酸耗大,分离难,且设备易腐蚀,易产生三废。
碱催化法可在低温下获得较高产率,反应速率快，但它对原料中游离脂肪酸和水的含量却有较高要求。
2.5.2生物酶法动植物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应.用于催化的脂肪酶主要是酵母脂肪酶.生物酶法的优点在于条件温和、醇用量小、游离脂肪酸和水的含量对反应无影响、无污染排放.但脂肪酶在有机溶剂中易聚集,不易分散,因而催化效率较低.此外因脂肪酶价格昂贵,故成本较高.2.5.3 工程微藻法先通过基因工程技术建构的微藻生产油脂,再进行酯交换反应.美国国家可更新能源实验室(NREI)通过现代生物技术建成“工程微藻”(藻类的一种“工程小环藻”),在实验室条件下可使脂质含量增加到60%以上.工程微藻法的优越性在于微藻生产能力高,比陆生植物单产油脂高出几十倍;用海水做为天然培养基,节省了农业资源;生产的生物柴油不含硫;可被微生物降解,不污染环境.因此,发展富含油酯的“工程微藻”是发展生物柴油的一大趋势.2.5.4 超临界法超临界反应就是在超临界流体参与下的化学反应,超临界流体既可以作为反应介质,又可以参与反应.在超临界状态下,甲醇和油脂成为均相,反应速率大,反应时间短.另外,由于在反应中不使用催化剂,因此反应后续分离工艺简单,不排放废碱或酸液,不污染环境,生产成本大幅降低.但是超临界甲醇法反应条件非常苛刻,需要高温高压下进行.3、本实验所采用的制备方法及各实验参数的选择及其理论依据本实验采用的具体参数如下：菜籽油20克，甲醇4.6克（醇油摩尔比为6：1），共溶剂正己烷40克（菜籽油与共溶剂正己烷的质量比在25：75—38：75之间），菜籽油质量1%的NaOH做催化剂，反应温度60—65度，搅拌速度为400r/min。
1.醇油摩尔比：醇油摩尔比是影响反应进行的重要因素之一在反应温度为65度，催化剂用量为1.0%，搅拌速度为400r/min的条件下,改变醇油摩尔比。
图1给出了醇油摩尔比分别为4：1，6：1，9：1和12：1时,脂肪酸甲酯含量随反应时间变化的趋势,因为醇油摩尔比为3：1时,反应发生明显的皂化,所以醇油摩尔比最低选为4：1醇油摩尔比为6：1时,1.5h之内,甲酯含量几乎达到了99%,达到相同甲酯的含量,醇油摩尔比为12：1时只需40min左右。
实验发现,反应速度随着醇油摩尔比的增加而加快,但甲醇的大大过量不仅使甘油的分离更加困难,而且增加了甲醇的回收费用和反应过程中甲醇的挥发。
因此,以醇油摩尔比为6：1为宜。
2.催化剂的选择及其用量：①油脂的醇解反应并不十分困难,采用常规的碱性催化剂在常压或较低压力下进行醇解反应从经济上是合理可行的。
由于氢氧化钠价格低廉,工业化生产中多被采用②在反应温度为65度醇油摩尔比为6：1搅拌速度为400r/min的条件下,催化剂用量在0.5%~1.5%之间变化，如图2展示在不同催化剂用量的情况下,脂肪酸甲酯含量随反应时间的变化趋势在催化剂用量较少的情况下,反应进行不完全，当催化剂用量达到 1.0%时,1h之内,甲酯含量几乎达到了99%,并且反应进行10min,甲酯含量就达到了86.04%，继续增加催化剂用量,甲酯含量反而会有所减少,这和Dorado等人的研究结果相符当催化剂用量超过1.0%时,在反应过程中发生严重的皂化现象,反应物中有大量凝胶状物析出,产品不易分离,产量大大下降，故催化剂用量最佳值为1.0%。
3.反应温度：在催化剂用量为1.0%，醇油摩尔比为6:1，搅拌速度为400r/min的条件下,研究了不同温度对反应的影响。
如图3是在不同温度的条件下,脂肪酸甲酯含量随反应时间变化的趋势图。
它表明反应温度对大豆油的酯交换有一定的影响作用,这和Enci2nar等人的研究结果一致。
因为反应温度在高于65度的情况下,加速了甘油酯与碱催化剂的皂化作用,因此应尽量避免反应在65度(甲醇沸点)以上进行，且温度超过65度,对能耗和生产设备的要求均须提高,故反应温度以60—65度为宜。
4.搅拌速度：本实验采用的搅拌速度为400r/min，对于一定的反应器和反应体系,当其它参数都不变的情况下Misek's方程可简化成:d0=kn-2式中:k)常数,n)搅拌速度。
由上式可知,NaOH-CH3OH液滴的直径d0与搅拌速度n的平方成反比,即搅拌速度对反应的影响是非常大的因为搅拌越快,d0越小,非均相体系的相接触面积就越大,反应就越易进行,反应效果好但因为上述方程仅适合于反应刚开始时,当NaOH-CH3OH液滴形成并达稳定后,影响酯交换反应的主要因素就不是搅拌速度,而是反应时间,此时,只要反应达到一定的时间,即可获得很好的效果。
结果如图4表明,搅拌速度达到一定值之后,继续提高搅拌速度对反应速度并没有太大的影响,相反增加了动力费用，在搅拌速度为400r/min和600r/min的条件下,1h之内,脂肪酸甲酯的含量几乎达到了同样的99%所以,搅拌速度以400r/min为佳。
5.共溶剂：甲醇与脂肪酸酯互不相溶,须在强烈搅拌下才能部分反应,动力消耗大,甲醇利率低,严重制约着转换率，正己烷对甲醇和脂肪酸酯的溶解性能较好,价格比较便宜,更重要的是沸点较低,仅为68.70度，与甲醇比较接近,在反应结束后,能够同甲醇一道蒸出冷凝回收。
图4二、实验目的：1.通过酯交换反应由植物油制备生物柴油2.测定所制得的生物柴油的酸价和碘值三、实验原理：1.生物柴油制备原理（酯交换反应）R1—COO—CH2︳R2—COO—CH +3MeOH →R1(R2,R3)—COOMe + CH2(OH)CH(OH)CH2(OH)︳R3—COO—CH22.碘值测定原理⑴溴化碘与酯在醋酸汞的催化作用下发生加成：CH3…CH==CH…COOH +IBr＝ CH3…CHI-CHBr…COOH，4分钟完成；⑵再加入过量的碘化钾与剩余的溴化碘作用，以析出碘:KI＋IBr＝KBr＋I2⑶析出的碘用硫代硫酸钠标准溶液进行滴定:I2 +2Na2S2O3 = Na2S4O6 +2NaI同时做空白试验进行对照。