实验二 绿色能源- 生物柴油的制备1

1、实验二绿色能源生物柴油的制备一、实验目的1、了解绿色能源的概念。2、掌握生物柴油的制备。二、实验原理我国是世界上经济发展最快的国家之一，对能源的需求量长期保持高速增长态势在现在的能源消耗构成中，除煤炭能够满足自给外，石油和天然气远远满足不了经济发展的需求。并且环境污染问题也变得越来越明显。在这样的背景下，发展可再生清洁绿色能源对我国不仅具有非常重要的现实意义，同时还具有非常重要的战略意义。生物柴油作为可再生生物质新能源，已经在世界范围内引起了广泛的关注。生物柴油是一种石油替代品。众所周知，普通柴油是从石油中的，而“生物柴油”则可从动物、植物的脂肪中提取。在美国，目前主要从大豆中提取。这是因为美

2、国的大豆产量很高，价格也便宜。此外，用“生物柴油”作汽车燃料对环保也有积极的意义排放的废气所含的二氧化碳远没有普通柴油那么多。此外，原本为普通柴油的发动机无需改动，就可改用“大豆柴油”。事实上第一台柴油机在设计当初是用菜油作为燃料的，但是由于菜油本身的黏性太高，而作为石油中提炼汽油后的副产物得到的柴油更加便宜，所以，很快由菜油为燃料的柴油机就改成用石化菜油为燃料的柴油机，一直发展到现在。但是，又由于广泛的使用石化柴油，给当今社会带来了许多弊端，如环境污染、能源紧张等，使得人们又开始关注可再生清洁绿色能源生物柴油。生物柴油是清洁的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实

3、、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料，通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的可再生性柴油燃料，是优质的石油代用品。生物柴油是典型的可再生“绿色能源”，可从生物物质提炼，因此可以说是取之不尽用之不竭的能源。大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。生物柴油是生物质能的一种形式，其主要成分为通过动植物油脂转化而来的高级脂肪酸的低碳烷基酯混合物，因其物化性能与石化柴油相近，并可以直接代替石化柴油或以石化柴油以任意比例混溶使用而得名。生物工程技术的发展也给生物柴油的发展提供了一种可能的保证。作为用能源生产的植物油，可以利用先进的生

4、物工程技术来提高植物中含油的品质和含量。本实验采用化学方法制备生物柴油，与物理方法不改变油脂组成和性质不同，化学法生物柴油制备技术是将动植物油脂进行化学转化，改变其分子结构，使主要组成为脂肪酸甘油酯的油脂转化成为相对分子质量仅为其三分之一的脂肪酸低脂碳烷基酯，使其从根本上改善流动性和黏度，适合用作柴油内燃机的燃料。酯化和酯交换是是生物柴油的主要生产方法，即用含或不含游离脂肪酸的动植物油脂和甲醇等低碳一元醇（通常是Cc醇）进行酯化或转酯化反应，14生成相应的脂肪酸低碳烷基酯，再经分离甘油、水洗、干燥等适当处理即得生物柴油。通过化学转化得到的脂肪酸低碳烷基酯，具有与石化柴油几乎相同的流动性和黏度范

5、围，同时具有与石化柴油完全混溶性，是一种良好的柴油内燃机动力燃料。化学法生产的完全改变了物理法生物柴油的物性状态，成为完全均匀的液态产品，黏度大幅降低，能与石化柴油以任意比混溶形成单一的均相体系，因此使用就方便多了。我国人口多，会产生大量的食物废油。菜油需要通过酯交换反应可以成为低粘度的燃料。最常见的生物柴油是由油菜籽或大豆中的羧酸甲酯衍生物组成的。酯交换反应可以被碱催化，通常用的碱是NaOH、KOH或NaOMe。NaOH溶解在甲酯中就形成了NaOMe,成本低，但会生成水，降低产率。通常用作烹饪的菜油中会含有部分水分，而且在高温下，就会水解部分甘油酯成酸。正是由于这些酸的存在，会中和用来催化酯

6、交换的碱，从而导致产率的下降。并且，这些酸会和碱作用，生成羧酸盐，也就是通常我们所知道的肥皂，在分离的时候会出现乳化的现象而给产物的分离带来不便。另外一个缺点是，过多的酸和甘油存在，还会影响最终生物柴油的质量。所以，在制备生物柴油的时候，一定要滴定菜油中脂肪酸的含量并且要把产品中的甘油尽量分离开。通常酸的质量分数不超过15%，如果菜油中酸的含量小于0.5%就可以直接进行碱催化酯交换反应；如果大于0.5%，就需要进行酸的酯化反应（如下图）。菜油品种不同，其含有的脂肪酸成分也不一样，例如橄榄油含油酸73%84%，亚油酸10%12%，棕榈酸9%10%，硬脂酸2%3%。所以，我们就可以简单地以油酸作为

7、标准估算出酸的质量分数。通常在合格的生物柴油产品中，所含各种形式甘油（游离和非游离）的质量分数要小于0.25%,游离的甘油质废菜油过滤清菜油酯交换生物柴油量分数要小于0.02%。过高会使与之接触的橡胶零件，如橡胶膜、橡胶圈、燃料管等逐渐降解。脂肪酸含量大于0.5%t酸转化成酯废菜油制备制备生物柴油流程三、仪器与试剂1、仪器磁力加热搅拌器、锥形瓶、量筒、烧杯、三口圆底烧瓶、回流冷凝管、分液漏斗、研钵碱式滴定管、恒温水浴锅2、试剂新菜油、氢氧化钠（AR）、甲醇（AR）、异丙醇（AR）、浓硫酸（AR）、酚酞指示剂、O.lmol/L的KOH标准溶液、3mol/LHSO溶液、饱和食盐水24四、实验步骤1

8、、滴定在250ml的锥形瓶中加入15g菜油，加入75ml异丙醇和酚酞指示剂溶液，用0.1mol/L的KOH标准溶液滴定。滴定两次，计算菜油中含有的自由脂肪酸含量,取平均值。如果菜油中的自由脂肪酸含量大于0.5%，需要完成脂肪酸转化成酯的反应。如果脂肪酸含量小于0.5%，就直接进行酯交换制备生物柴油。滴定前颜色滴定后颜色滴定前后锥形瓶中颜色对比图2、酸转化成酯（如果脂肪酸含量大于0.5%）在100ml圆底烧瓶中加入35.0g菜油、磁子、一定量预先均匀混合的甲醇和浓硫酸混合液（浓硫酸（所用体积=自由脂肪酸质量/密度X5%）和25ml甲醇），恒温水浴锅中（60C）加热搅拌回流lh,搅拌速度250r/

9、min。反应结束后，冷水冲洗迅速冷却至室温终止反应，蒸去残留甲醇,将反应液转入分液漏斗中，静置，分液。实验装置图反应开始不久反应一段时间反应结束静置分液时3、酯交换制备生物柴油在研钵中研碎NaOH固体，称取mNa(=|油重X1.5%研碎的NaOH粉末，加入到装有30ml甲醇的锥形瓶中，放入磁子，搅拌510min，直至NaOH全部溶解在甲醇中。将第三步中酯化后的菜油转移入上述制备的甲醇溶液中，控制温度在3550C之间搅拌40min,搅拌速度250r/min,在反应过程中，不断检查菜油是否和甲醇溶液混合均匀。反应结束后，冷却，将反应液转入分液漏斗中，静置，分液。酯相用60C的热饱和盐水洗后离心机分

10、离，蒸出甲醇，得到生物柴油样品。NaOH溶于甲醇中并把上层油转入其中静置分液三次洗涤后产品五、实验数据记录及处理1、计算菜油中脂肪酸的含量。（cV/m）X100%2、酸转化成酯所称菜油的质量m=99.2802gm=6.2215gm=99.2802g称前称后菜油3、所用浓硫酸的体积V（浓硫酸）=（m菜油X自由脂肪酸含量X5%）宁浓硫酸密度菜油4、计算生物柴油的产率。mNaOH=0.5258gm二油重X1.5%NaOH（m实验所得/皿菜油）X1%h=3mm生物柴油c=0.1mol/LKOH浓硫酸密度-1.84g/mL12平均值m瓶/g瓶122.2349155.7123m/g瓶+菜油153.3626170.8408m/g菜油15.137715.092515.1151V/mLKOH始0.000.00V/mLKOH终2.802.70V/mLKOH2.802.702.75自由脂肪酸含量/%1.84971.78901.8194V/mL浓硫酸0.020.020.02六、实验结果分析与讨论1、通过本次实验掌握