全 文 ：第 44 卷第 5 期
2015 年 5 月
应 用 化 工
Applied Chemical Industry
Vol． 44 No． 5
May 2015
收稿日期:2015-02-12 修改稿日期:2015-03-12
基金项目:国家林业局 948 项目(2010-4-10)
作者简介:张爱华(1982 －)，男，河北石家庄人，湖南省生物柴油工程技术研究中心助理研究员，硕士，主要从事生物质能
源的研究。电话:13617314257，E － mail:zhangaihua909@ 163． com
磁性固体酸纤维催化光皮梾木油制备
生物柴油的研究
张爱华1，3，李良厚2，林琳1，3，肖志红1，3
(1．湖南省生物柴油工程技术研究中心，湖南 长沙 410004;2．河南省林业科学研究院，河南 郑州 450003;
3．湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)
摘 要:以自制的磁性固体酸纤维 Fe /C-SO3H催化光皮梾木油进行酯交换反应获得了生物柴油，并对影响酯交换
反应的醇油摩尔比、催化剂含量、反应时间、反应温度等因素进行了优化。通过 GC-MC及 FTIＲ分析了光皮梾木油
及其生物柴油的性质，并将生物柴油与 0#柴油进行了对比分析。实验结果表明，Fe /C-SO3H具有较好的催化性能，
所得生物柴油性质优异。
关键词:光皮梾木油;固体酸;磁性;生物柴油
中图分类号:TQ 645 文献标识码:A 文章编号:1671 － 3206(2015)05 － 0826 － 04
Preparation of biodiesel by magnetic solid acid
fiber catalytic Swida wilsoniana oil
ZHANG Ai-hua1，3，LI Liang-hou2，LIN Lin1，3，XIAO Zhi-hong1，3
(1． Hunan Engineering Ｒesearch Center of Biodiesel，Changsha 410004，China;
2． Henan Academy of Forestry，Zhengzhou 450003，China;3． Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004，China)
Abstract:The magnetic solid acid fiber of Fe /C-SO3H which was made by homemade to catalyze Swida
wilsoniana oil with ester exchange reaction，obtained biodiesel． And affecting the ester exchange reaction
of alcohol mole ratio of oil，catalyst content，reaction time and reaction temperature are optimized． Swida
wilsoniana oil and biodiesel were analyzed by GC-MC and FTIＲ，and compared the biodiesel oil and 0#
diesel oil． The experimental results show that the Fe /C-SO3H has good catalytic performance and the ex-
cellent properties of biodiesel．
Key words:Swida wilsoniana oil;solid acid;magnetic;biodiesel
我国木本油料种质资源十分丰富，果实含油量
在 3%以上的有 150 多种，包括长柄扁桃、光皮梾
木、元宝枫、翅果、麻风树、黄连木等新型木本油料树
种，不仅可广泛栽培，而且产量高，具有广阔的发展
前景。光皮梾木是一种多用途油料树种，生命力很
强、容易管理、全果富含油脂，其结出的鲜果可提炼
成生物柴油及食用油［1-4］。
加快木本油料产业发展是维护国家能源安全的
有力保障。目前，酯交换法制备生物柴油工艺已形
成较完备的技术体系，但是生物柴油生产过程中广
泛采用均相酸碱催化剂，虽然其反应效率高，但存在
产物与催化剂分离困难、设备腐蚀和环境污染严重
等问题［5-8］。固体催化剂是近些年发展起来的新型
催化技术，具有反应可控、分离容易、催化剂可重复
使用、方便自动化连续式生产以及对环境污染较少
等优点，而被越来越多的生物柴油生产企业和研发
单位所采用［9-11］。
本文考察了磁性固体酸纤维催化剂 Fe /C-SO3H
应用于光皮梾木油酯交换反应制备生物柴油［12-14］，
探讨了醇油摩尔比、催化剂用量、反应时间、反应温
度及催化剂重复使用率等因素对催化酯交换反应转
化率的影响，并对生物柴油产品进行了光谱分析。
1 实验部分
1． 1 材料与仪器
光皮梾木油、Fe /C-SO3H 均为自制;甲醇，分析
纯;超纯水。
iS5 傅里叶变换红外光谱仪;Scion SQ-bruker 气
第 5 期 张爱华等:磁性固体酸纤维催化光皮梾木油制备生物柴油的研究
相质谱联用仪。
1． 2 生物柴油制备方法
准确称取一定比例的光皮梾木油和甲醇分别置
于反应釜与恒压漏斗中，将称取好的催化剂
Fe /C-SO3H与光皮梾木油混匀升温至 60 ℃，将甲醇
按一定流速滴入反应釜中继续升温至回流状态。计
时结束，静置冷却，分离甘油、甲醇，回收催化
剂［15-16］。
2 结果与讨论
2． 1 光皮梾木油 GC-MC分析
光皮梾木油 GC-MC分析，见图 1。
图 1 光皮梾木油气质谱图
Fig． 1 GC-MC chromatogram of Swida wilsoniana oil
由图 1 可知，光皮梾木油主要有以下组分构成:
棕榈酸 5． 004%、9，12-十八碳二烯酸 (Z，Z)
18． 983%、顺 式-异 油 酸，顺 式-11-十 八 碳 烯 酸
56． 768%、亚麻酸 5． 017%、硬脂酸 4． 66%。其中饱
和酸与不饱和酸的比例约为 1 ∶ 8，这能够为光皮梾
木生物柴油产品提供很好的低温流动性;脂肪酸
C16∶ C18 的比例约为 1∶ 17，高含量的 C18 能够保证
生物柴油产品就有较高的十六烷值。通过气质分析
证明光皮梾木油是一种很好的生物柴油原料。
2． 2 光皮梾木油酯化反应
2． 2． 1 醇油摩尔比对转化率的影响 反应条件:催
化剂用量 1． 0%，反应温度 75 ℃，反应时间 90 min，
考察不同醇油摩尔比的反应物料(7∶ 1，8∶ 1，9∶ 1，10
∶ 1，11∶ 1，12∶ 1)对酯交换反应转化率的影响，结果见
图 2。
由图 2 可知，因为酯交换反应为可逆反应，增大
醇油摩尔比有利于生物柴油转化率的增加。醇油摩
尔比达到 10∶ 1 后再增加醇的含量对转化率的影响
比较小，综合原料成本和能源消耗，选择最佳醇油摩
尔比为 10∶ 1。
图 2 醇油摩尔比对转化率的影响
Fig． 2 Influence of (methanol)/(Swida wilsoniana oil)
on transesterification rate
2． 2． 2 催化剂用量对转化率的影响 反应条件:醇
油摩尔比 10∶ 1，反应温度 75 ℃，反应时间 90 min，
考察不同催化剂含量(0． 5%，1． 0%，1． 5%，2． 0%，
2． 5%，3． 0%)对酯交换反应转化率的影响，结果见
图 3。
图 3 催化剂含量对转化率的影响
Fig． 3 Influence of catalyst dosage on
transesterification rate
由图 3 可知，最佳催化剂用量为 2． 0%。催化
剂含量 0． 5% ～2． 0%，转化率有较大的跃升，2． 0%
～3． 0%时，转化率基本持平。这主要是因为当催化
剂用量较少时，提供的活性中心不多，在一定时间内
转化率较低;但是当催化剂用量过多时，导致催化剂
黏度增加并形成胶体，改变了体系的流动状态，屏蔽
了较大部分的活性中心，无法实现最佳的催化效果。
2． 2． 3 反应温度对转化率的影响 反应条件:催化
剂 Fe /C-SO3H用量 2． 0%，醇油摩尔比 10 ∶ 1，反应
时间 90 min，考察了不同反应温度(55，60，65，70，
75，80 ℃)对催化酯交换反应转化率的影响，具体结
果见图 4。
由图 4 可知，温度对催化酯交换反应很重要，
55 ℃时转化率只有 43%，而在 75 ℃时转化率已达
到 96%左右。这主要是因为甲醇的沸点在 65 ℃，
只有超过该温度才会使酯交换反应正常进行。过高
的温度会使得甲醇的气化速率加快，降低液相中甲
醇的浓度，同时也会增加冷凝负荷，不利于酯交换反
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应用化工 第 44 卷
应的进行。因此，最佳的反应温度为 75 ℃。
图 4 反应温度对转化率的影响
Fig． 4 Influence of reaction temperature on
transesterification rate
2． 2． 4 反应时间对转化率的影响 反应条件:催化
剂用量 1． 0%，反应温度 75 ℃，醇油摩尔比 10∶ 1，考
察不同反应时间(40，60，80，100，120，140 min)对酯
交换反应转化率的影响，结果见图 5。
图 5 反应时间对转化率的影响
Fig． 5 Influence of reaction time on transesterification rate
由图 5 可知，反应时间同反应温度一样，对催化
酯交换反应具有显著性影响。反应时间较短不能使
酯交换反应达到平衡，生物柴油转化率较低;较长的
反应时间不仅浪费资源，还会造成副反应的增多，严
重影响生物柴油的产品品质。因此综合考虑，最佳
的反应时间为 100 min。
2． 2． 5 催化剂重复使用效果评价 Fe /C-SO3H 是
一种可以重复使用的磁性固体酸催化纤维，为了检
验催化效果，在最优条件下(醇油摩尔比 10∶ 1，催化
剂含量 2． 0%，反应温度 75 ℃，反应时间 100 min)
考察了催化剂使用次数对酯交换反应转化率的影
响，结果见图 6。
图 6 反应次数对转化率的影响
Fig． 6 Influence of reaction number on
transesterification rate
由图 6 可知，催化剂在催化酯交换反应使用 5
次以后仍然保持 ＞ 83%的转化率，说明磁性固体酸
纤维催化剂 Fe /C-SO3H稳定性能好，催化活性强。
2． 3 光皮梾木生物柴油 FTIＲ分析
光皮梾木生物柴油 FTIＲ分析，见图 7。
图 7 光皮梾木油与生物柴油红外光谱分析
Fig． 7 FTIＲ analysis of Swida wilsoniana oil
and biodiesel
由图 7 可知，1 500 ～ 3 000 cm －1生物柴油与光
皮梾木油的脂肪酸组成没有发生较大变化，只是通
过酯交换反应由甘油三酸酯转化为相应的脂肪酸甲
酯。但由于生物柴油结合一个甲醇，所以在指纹区
(500 ～ 1 000 cm －1)存在较大区别。
2． 4 生物柴油指标分析
光皮梾木生物柴油理化性质分析，见表 1。
表 1 光皮梾木生物柴油理化性质分析
Table 1 Physical and chemical properties analysis of biodiesel
柴油 密度(20 ℃)/(Kg·m －3)运动粘度 /(mm2·s － 1)酸值 /(mg KOH·g － 1) 闪点/℃ 水含量 /% 机械杂质 硫含量 /%
光皮梾木生物柴油 0． 85 3． 55(40 ℃) 0． 86 158 痕迹 无 0． 03
0#柴油［17］ 0． 845 3． 52(20 ℃) 0． 56 55 痕迹 无 0． 2
生物柴油［18］ 0． 82 ～ 0． 90 1． 9 ～ 6． 0 ≤0． 8 ≥130 ≤0． 05 无 ≤0． 05
由表 1 可知，Fe /C-SO3H 催化制备的光皮梾木
生物柴油能够满足生物柴油国标的相关指标要求，
并且具有优异的性质。但是生物柴油同 0#柴油本
身具有很大不同，主要是由于构成成分存在较大差
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第 5 期 张爱华等:磁性固体酸纤维催化光皮梾木油制备生物柴油的研究
别。
3 结论
(1)将 Fe /C-SO3H引入到光皮梾木油酯交换制
备生物柴油反应中，最佳反应工艺条件为:醇油摩尔
比 10∶ 1，催化剂含量 2． 0%，反应时间 100 min，反应
温度 75 ℃，转化率为 98． 9%。
(2)磁性固体酸纤维 Fe /C-SO3H 催化活性强，
性质稳定，循环使用效果良好，具有很好的应用前
景。
(3)光皮梾木油脂肪酸分布合理，是一种制备
生物柴油的优良原料。其制备的生物柴油满足 GB /
T 20828—2007 的主要指标，但同 0#柴油还是有较
大差别。
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