全 文 ：第 45 卷第 7 期
2016 年 7 月
应 用 化 工
Applied Chemical Industry
Vol． 45 No． 7
Jul． 2016
收稿日期:2015-12-30 修改稿日期:2016-01-27
基金项目:江西省科技成果重点转移转化计划(20143BBI90009);南昌市科技支撑计划项目(2014HHC006) ;江西农业大
学大学生创新创业训练计划项目(201410410023，201410410066)
作者简介:陈小浪(1992 －)，男，江西吉安人，在读硕士研究生，师从上海师范大学张蝶青副教授，从事生物质能源方向研
究。电话:15800601531，E － mail:1712607630@ qq． com
通讯联系人:刘光斌(1963 －)，男，副研究员，硕士生导师，主要从事生物质能源方面研究。E － mail:lgb267@ 126． com
响应面法优化阴香籽油制备生物柴油的研究
陈小浪1，2，李林检1，刘光斌1，于伟伟1，董振浩1，
柳恒饶1，蒯立宝1，李玲玉1，陈毓瑾1
(1．江西农业大学 应用化学研究所，江西 南昌 330045;2．上海师范大学 生命与环境科学学院，上海 200234)
摘 要:在单因素的基础上，通过响应面法优化阴香籽油制备生物柴油的工艺条件。结果表明，阴香籽油制备生物柴
油的优化工艺条件为:油醇摩尔比 1∶ 6． 5，催化剂用量为油质量的 1． 0%，反应时间 125 min，反应温度 61 ℃，理论转化
率为 92． 79%。实际验证值为 93． 10%。以阴香籽油为原料通过酯化反应制取的生物柴油与 0#柴油及国标 GB/T
20828—2007主要性能相似，阴香籽油生物柴油可以全部或部分替代 0#柴油，是一种安全的可再生绿色生物能源。
关键词:响应面法;阴香籽油;生物柴油
中图分类号:TQ 645． 1 文献标识码:A 文章编号:1671 － 3206(2016)07 － 1304 － 04
Ｒesponse surface methodology to optimize production of
biodiesel from Cinnamomum burmannii
CHEN Xiao-lang1，2，LI Lin-jian1，LIU Guang-bin1，YU Wei-wei1，DONG Zhen-hao1，
LIU Heng-rao1，KUAI Li-bao1，LI Ling-yu1，CHEN Yu-jin1
(1． Applied Chemical Institute，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045，China;
2． College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China)
Abstract:Based on the single factor experiment，the biodiesel preparation conditions of Cinnamomum bur-
mannii seeds oil were optimized by response surface methodology (ＲSM)． The results showed that the op-
timal conditions were obtained as follows:oleyl alcohol molar ratio of 1∶ 6． 5，catalyst dosage of 1． 0% of
the oil mass，reaction time of 125 min，reaction temperature of 61 ℃ and conversion ratio of 92． 79%，the
actual verification value 93． 10% ． And the detection found that the Cinnamomum burmannii biodiesel per-
formance indices were close to those of 0# diesel and GB /T 20828—2007 Diesel Engine Fuels Blended
Use of Biodiesel． So it is a sort of safe and green biological energy．
Key words:response surface methodology;Cinnamomum burmannii seeds oil;biodiesel
能源短缺和环境污染成为世界上面临的两大难
题，人们越来越关注可以替代石油的新型绿色可再
生能源。生物柴油作为一种新型的能源备受人们关
注，野生植物油作为制备生物柴油的原料也不断被
开发出来［1］。
阴香(Cinnamomum burmannii)，樟科樟属多年
生常绿阔叶乔木，在我国南部地区如江西、广西、福
建、海南等地均有分布［2］。阴香喜温暖湿润性气
候，树高可达 14 m，树冠伞形或近圆球形，主干通
直，枝叶浓密翠绿，株态优美，材质优良，既是优质的
木材，又是优良的城市行道绿化和庭院观赏树［3］。
阴香果实主要含有糖、蛋白质、脂肪、果胶和原青花
素等，其中脂肪含量丰富，含油量高达 71． 9%以上，
其酸值 25． 42 mg KOH /g，碘值 3． 85 g I2 /100 g，皂化
值 282 mg KOH /g，脂肪酸组成为月桂酸、癸酸、油
酸、亚油酸、十四碳酸、亚麻酸、棕榈油酸、硬脂酸、花
生酸等，脂肪酸的碳链长度在 C10 ～ C20 之间，其中
C12 ～ C20 的脂肪酸占 89． 62%，亚麻酸质量分数为
0． 39%，小于 12%，而且不含十八碳四烯酸［4-5］。因
此，阴香籽油作为生物柴油原料油脂肪酸组成符合
生物柴油标准，是一种理想的生物柴油原料油。
本研究采用预处理阴香籽油，通过单因素实验
DOI:10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20160427.042
第 7 期 陈小浪等:响应面法优化阴香籽油制备生物柴油的研究
设计四因素三水平的 Box-Behnken 中心组合模型，
经过响应面回归分析［6］，获得制备生物柴油的最佳
工艺条件，为阴香油制备生物柴油提供理论基础。
1 实验部分
1． 1 试剂与仪器
阴香籽油，自制;氢氧化钾、甲醇均为分析纯。
GC2010 气相色谱仪;PPV-4060 合成装置;
ＲES2-99 旋转蒸发器;DHG-9101-2 电热恒温鼓风干
燥箱。
1． 2 实验方法
将经脱酸处理后的阴香籽油［7］和甲醇按油∶ 醇
摩尔比 1∶ 6 混合，加入油质量 1． 0%的 KOH 作催化
剂，在 60 ℃下，酯化反应 120 min。将反应物转移至
分液漏斗中，静止，分层。将下层甘油放出，加入温
水洗涤多次，至中性，静置，直到水层为清亮透明为
止。将上层生物柴油转移圆底烧瓶中进行常压蒸
馏，再减压蒸馏，即可去除甘油单酸酯、甘油二酸酯、
水分、甲醇以及三酰甘油等杂质，经干燥，得到精制
生物柴油，进行色谱分析，计算阴香籽油生物柴油转
化率［8］。
1． 3 阴香籽油生物柴油指标的测定方法
阴香籽油生物柴油的各项指标按中国石油化工
股份有限公司科技开发部编撰的石油和石油产品实
验方法标准汇编测定［9］，十六烷值(CN)按以下公
式计算［10］:CN =46． 3 + 5 458 ÷ SV －0． 225 × IV。
2 结果与讨论
2． 1 阴香籽油制备生物柴油单因素实验结果
2． 1． 1 油醇摩尔比对转化率的影响 在 50 ℃反应
温度下，催化剂用量占油脂质量 0． 8%，反应时间为
90 min的条件下，考察油醇摩尔比对生物柴油转化
率的影响，结果见图 1。
图 1 油醇摩尔比对生物柴油产率的影响
Fig． 1 The influences of molar ratio of oil to methanol
on the conversion rate of biodiesel
由图 1可知，在油醇摩尔比逐渐增大的同时，生
物柴油转化率也随着增大，当油醇摩尔比为 1∶ 6 时，
转化率达到最大值，油醇摩尔比 ＞ 1∶ 6 时，转化率并
无显著提高。选择 1∶ 6为最佳油醇摩尔比。
2． 1． 2 催化剂用量对生物柴油转化率的影响 反
应温度 50 ℃，时间 90 min，油醇摩尔比为 1∶ 6 时，考
察催化剂用量对生物柴油转化率的影响，结果见
图 2。
图 2 催化剂用量对生物柴油转化率的影响
Fig． 2 The influences of dosage of catalyst on
the conversion rate of biodiesel
由图 2 可知，催化剂用量增大的同时，生物柴油
转化率也逐渐提高，催化剂用量 1． 0%时，转化率达
到最大值。催化剂用量继续增大，转化率不升反而
下降。选择 1． 0%为最佳催化剂用量。
2． 1． 3 反应时间对生物柴油转化率的影响 油醇
摩尔比 1∶ 6，催化剂用量占油脂质量 1． 0%，反应温
度为 50 ℃，考察反应时间对生物柴油转化率的影
响，结果见图 3。
图 3 时间对生物柴油转化率的影响
Fig． 3 The influences of time on the
conversion rate of biodiesel
由图 3 可知，转化率随着反应时间增加而升高，
反应时间 120 min 时，转化率达到最大值。选用
120 min为最佳条件。
2． 1． 4 酯化温度对阴香生物柴油转化率的影响
设定催化剂用量、油醇摩尔比、酯化时间分别为
1． 0%、1∶ 6、120 min，考察反应温度对生物柴油转化
率的影响，结果见图 4。
由图 4 可知，随反应温度升高，反应转化率增
大，60 ℃时转化率达到最大。因此，选用反应温度
60 ℃。
5031
应用化工 第 45 卷
图 4 温度对生物柴油转化率的影响
Fig． 4 The influences of temperature on the
conversion rate of biodiesel
2． 2 响应面优化生物柴油转化工艺
2． 2． 1 中心组合实验结果 在单因素实验基础上，
根据 box-behnken原理对影响转化率的四个因素油
醇摩尔比、催化剂用量、反应时间、反应温度进行响
应面优化实验，因素与水平见表 1，结果见表 2。
表 1 响应面因素水平表
Table 1 Analytical factors and levels for ＲSM
编码与
水平
X1 X2 X3 X4
油醇摩尔比 催化剂用量 /% 反应时间 /min 酯化温度 /℃
－ 1 1∶ 5 0． 8 90 55
0 1∶ 6 1． 0 120 60
1 1∶ 7 1． 2 150 65
表 2 响应面优化实验方案结果
Table 2 Program and experimental
results optimized by ＲSM
实验号 X1 X2 X3 X4 转化率 /%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
0
0
－ 1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
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0
0
1
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1
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－ 1
0
1
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1
1
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1
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－ 1
－ 1
0
1
0
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0
0
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1
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0
0
0
－ 1
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0
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1
1
0
0
0
1
0
1
0
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－ 1
0
－ 1
0
0
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1
1
－ 1
0
0
0
0
1
0
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－ 1
0
0
0
1
0
－ 1
－ 1
－ 1
1
0
0
0
1
－ 1
0
0
－ 1
0
0
0
0
1
0
1
85． 26
89． 75
84． 12
93． 21
83． 34
88． 79
89． 45
87． 76
89． 32
93． 43
85． 27
83． 12
82． 91
88． 89
93． 46
91． 25
87． 78
86． 85
84． 56
84． 10
92． 82
87． 12
84． 62
90． 58
85． 93
83． 76
86． 43
93． 11
88． 32
2． 2． 2 实验模型建立及回归分析 通过 Box-Be-
hnken拟合出四个因素对阴香生物柴油转化率影响
的二次多项回归方程为:Y = 93． 21 + 2． 03X1 +
0． 030X2 + 1． 22X3 + 1． 94X4 － 0． 49X1X2 + 0． 16X1X3
－ 0． 17X1X4 + 0． 71X2X3 － 0． 48X2X4 + 0． 57X3X4 －
2． 83X1
2 － 2． 91X2
2 － 3． 64 X3
2 － 3． 75 X4
2
表 3 生物柴油转化率影响参数回归分析结果
Table 3 Ｒesults of variance analysis of factors
for conversion rate biodiesel
方差来源 自由度 平方和 均方差 F值 P ＞ F
X1 1 49． 69 49． 69 28． 19 0． 000 1＊＊
X2 1 0． 011 0． 011 0． 006 0． 938 7
X3 1 17． 86 17． 86 10． 13 0． 006 6＊＊
X4 1 45． 01 45． 01 25． 53 0． 000 2＊＊
X1X2 1 0． 96 0． 96 0． 54 0． 472 7
X1X3 1 0． 099 0． 099 0． 056 0． 815 9
X1X4 1 0． 11 0． 11 0． 064 0． 804 5
X2X3 1 2． 03 2． 03 1． 15 0． 301 3
X2X4 1 0． 93 0． 93 0． 53 0． 479 3
X3X4 1 1． 28 1． 28 0． 72 0． 409 1
X1 2 1 52． 03 52． 03 29． 51 ＜ 0． 000 1＊＊
X2 2 1 55． 10 55． 10 31． 26 ＜ 0． 000 1＊＊
X3 2 1 85． 81 85． 81 48． 67 ＜ 0． 000 1＊＊
X4 2 1 91． 44 91． 44 51． 87 ＜ 0． 000 1＊＊
模型 14 302． 06 21． 58 12． 24 ＜ 0． 000 1＊＊
残差 14 24． 68 1． 76
失拟项 10 24． 41 2． 44 35． 77 0． 001 8＊＊
误差 4 0． 27 0． 068
总和 28 326． 74
由表 3 可知，实验模型与回归方程的关系极显
著(P ＜ 0． 01)，模型与实验结果相符程度高(相关系
数 Ｒ2为 0． 907 9)，可以用该方程对实验结果进行分
析。反应时间、油醇摩尔比和反应温度对转化率的
影响最显著(P ＜ 0． 01)，催化剂用量次之，四个因素
对转化率的影响分别为油醇摩尔比、反应温度、反应
时间，最后为催化剂用量。二次项 X1
2、X2
2、X3
2、X4
2
影响极显著(P ＜ 0． 01)，交互项 X1X2、X1X3、X2X3显
著(P ＜ 0． 05)，其余交互作用不显著(P ＞ 0． 05)，说
明四个影响因素的交互作用较小。
2． 2． 3 阴香生物柴油最佳工艺的预测及验证 由
Design-Expert 7． 0 软件分析最佳工艺条件为:油醇
摩尔比(X1)= 6． 36∶ 1，催化剂用量(X2)= 1． 0%，反
应时间(X3)= 125． 1 min，反应温度(X4)= 61． 3 ℃。
此时，Y 值的理论最大值为 92． 79%。选取 X1 =
6． 5∶ 1，X2 = 1． 0%，X3 = 125 min，X4 = 61 ℃。在此条
件下实验，转化率为 93． 1%。
2． 2． 4 阴香生物柴油性能 阴香籽油生物柴油的
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第 7 期 陈小浪等:响应面法优化阴香籽油制备生物柴油的研究
各项主要指标，与我国 0#柴油、国标 GB /T 20828—
2007《柴油机燃料调和用生物柴油》相比较，结果见
表 4。
表 4 阴香生物柴油与 0#柴油、
GB/T 20828—2007 指标比较
Table 4 The properties comparison between bio-diesel of
Cinnamomum burmannii，0# diesel and GB/T 20828—2007
测定指标
阴香籽油
生物柴油
0#柴油
GB /T
20828—2007
闪点 /℃ 146 50 ≥130
十六烷值 64． 82 46． 00 ≥49
馏程 /℃ 355 365 ≤360
密度 20 ℃ /(g·cm －3) 0． 890 0． 850 0． 820 ～ 0． 900
机械杂质 /% 无 无 无
黏度 40 ℃ /(mm2·s － 1) 2． 8 2． 7 1． 9 ～ 6． 0
硫酸盐灰分 /% 0． 01 0． 02 ≤0． 02
含水量(质量分数)/% 痕迹 痕迹 ≤0． 05
铜片腐蚀(5 ℃，3 h)/级 1 1 ≤1
酸值 /(mg KOH·g － 1) 0． 16 0． 55 ≤0． 80
10%蒸余物残炭 /% 0． 25 0． 3 ≤0． 3
硫含量(质量分数)/% 无 0． 005 ≤0． 005
冷滤点 /℃ 4 5 报告
游离甘油(质量分数)/% 未检出 无 ≤0． 02
总甘油(质量分数)/% 未检出 无 ≤0． 24
氧化安定性(110 ℃)/h 3 － ≥6
由表 4 可知，阴香籽油转化的生物柴油，其各项
性能指标均与我国的 0#柴油相近，符合国标 GB /T
20828—2007《柴油机燃料调和用生物柴油》的标
准。硫酸盐灰分含量低于我国 0#柴油，硫质量分数
未检出，污染小，更清洁;闪点高(146 ℃)、安全性
好。由此可见，阴香籽油转化制备的生物柴油是一
种安全、绿色的生物能源。
3 结论
(1)阴香籽油生物柴油制备工艺最适宜条件
为:油醇摩尔比 1∶ 6． 5，催化剂 KOH 用量为油质量
的 1． 0%，反应时间 125 min，反应温度 61 ℃，转化
率 93． 10%。
(2)以阴香籽油为原料，通过酯化反应制取的
生物柴油与 0#柴油及国标 GB /T 20828—2007 主要
性能相似，阴香籽油生物柴油可以全部或部分替代
0#柴油，是一种安全的可再生绿色生物能源。
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