功能化离子液体的合成及其在反应精馏制备生物柴油中的应用基础研究

Chemical industry is one of the main sources of industrial pollution in China. The really effective approach to treat the chemical pollution from the original is to use the “green” chemical technology instead of the traditional production process in chemical engineering field. The production efficiency of the reversible reaction could be greatly improved and the “green” process could be achieved by developing the reactive distillation process. Biodiesel is a kind of green energy using renewable resources such as vegetable oil, animal oil and waste oil. Aiming at the problem existing in the traditional production of biodiesel by transesterification, a new idea was established as followings. Functionalized acidic ionic liquids (ILs) will be synthesized as catalysts and used in the above reactive distillation process. Design and synthesis of the functionalized acidic ILs with high catalytic activity based on the model reaction for the production of biodiesel by transesterification.The catalytic activity and stability of the functionalized acidic ILs will be evaluated. The catalytic mechanism will be clarified, and the model of the reaction kinetics will be established. Finally, functionalized acidic ILs will be used in reactive distillation for the preparation of biodiesel by transesterification, and the properties of the synthesized biodiesel will also be evaluated. In this study, not only will the functionalized acidic ILs be used in the reactive distillation process in order to improve transesterification activity and seperation efficiency of the production of biodiesel, thus the “green” process will be realized, but also it is of great theoretical and practical meaning for solving the fossil energy crisis.

化学工业是我国工业污染的主要来源之一，采用绿色化工技术改造或替代传统生产工艺是从源头治理化学工业污染的最主要途径。采用反应精馏过程，可大大提高可逆反应的生产效率，并实现过程的绿色化。生物柴油是利用植物油、动物油及废弃油脂等可再生资源制备的一种绿色能源。针对传统的酯交换法生产生物柴油存在的问题，本项目提出采用可再生非食用的无患子籽油为原料，以功能化酸性离子液体(ILs)为催化剂、采用酯交换反应精馏工艺生产生物柴油的新思路。设计合成出高催化活性的酸性功能化ILs；评价ILs的催化活性及稳定性；阐明反应机理，建立催化反应动力学模型。最后，将合成出的ILs用于酯交换法反应精馏生产生物柴油，并评价生物柴油的性能。该研究对于提高酯交换反应生产生物柴油的反应活性及分离效率并实现其过程绿色化、解决石化能源危机具有理论和实际意义。

当前，由化石燃料过度使用所引起的能源危机和环境恶化已成为世界各国不可避免的难题，开发和利用清洁可再生能源势在必行。生物柴油由脂肪酸低碳酯组成，分子量与石化柴油相近，可以单独或与石化柴油混合后用于现有的柴油发动机，而且相较于石化柴油，生物柴油具有可再生性能、更高的十六烷值、更高的氧含量及更低的硫含量，因此可以作为石化柴油的理想替代品。生物柴油主要通过可再生油脂（植物油脂、动物油脂及微生物油脂等）与低碳醇（甲醇、乙醇等）在无机强酸（H2SO4）或强碱（KOH）的作用下发生酯交换反应而获得，这些工艺通常存在设备腐蚀、皂化、产物难分离及催化剂难回收等问题。因此，本项目提出以无患子油和酸性功能化离子液体作为原料与催化剂，反应精馏工艺制备生物柴油的新思路。采用分子模拟与实验相结合的方式成功设计合成Brønsted酸型功能化离子液体、Brønsted-Lewis双酸型离子液体、两亲性双酸位离子液体及聚合物离子液体用于无患子油与甲醇酯交换制备生物柴油体系中，探究了所制备离子液体的催化活性及稳定性、酯交换反应的最佳操作条件及催化反应机理等。除此之外，还设计其它类型的Brønsted酸型功能化离子液体用于催化椰子油制备生物柴油。以上的研究结果显示所设计的酸性功能化离子液体具备高效的催化活性和良好的重复使用性，并且所获生物柴油的运动粘度、酸值、含水量、闪点、铜片腐蚀度及十六烷值等理化性质均满足ASTM D6751标准，具有很高的油品质量。该研究对于提高酯交换反应制备生物柴油的反应活性及分离效率并实现其过程绿色化、解决石化能源危机具有理论和实际意义。