[发明专利]一种固体酸催化剂及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其应用，特别涉及了一种新型的固体酸纳米催化剂及其应用。

背景技术

生物柴油是生物质能的一种形式，是通过甘油酯的酯交换反应或脂肪酸的酯化反应制备出的脂肪酸甲酯（A. P. Vyas, et al. Fuel, 2010, 89, 1-9. Z. Helwani, et al. Fuel Process. Technol. 2009, 90, 1502-1514.）。虽然不同原料制备的生物柴油理化特性有所差异，但是生物柴油具有含硫量低、十六烷值高、含氧量高、芳烃含量少、理化性质和普通石油柴油较为接近等优点，是典型的“绿色能源” (A. Robles-Medina. A, et al. Biotechnology Advances, 2009, 27(4)：398-408. D. Ayhan. Progress in Energy and Combustion Science. 2005, 31(5-6)：466-487.)，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。

综观国际上的发达国家如美国、德国、日本；到次发达的南非、巴西、韩国；再到发展中的印度、泰国等，均在发展石油替代产业的国际政策制度、技术完善、装置建设和车辆制造等方面提供了良好的借鉴，为我国走中国特色石油替代之路铺平了道路。随着改革开放的不断深入，在全球经济一体化的进程中，中国的经济水平将进一步提高，对能源的需求会有增无减，只要把关于生物柴油的研究成果转化为生产力，形成产业化，则其在柴油引擎、柴油发电厂、空调设备和农村燃料等方面的应用前景非常广阔。

目前，对生物柴油的研究近年来越来越受到重视。传统的生产方法一般采用均相酸、碱催化法 (Edward. C. Process Biochemistry, 2001, 37 (1): 65-71. Okuhara. T. Applied Catalysis A: General, 2003, 256(1/2): 213-224）。均相酸碱催化法以硫酸、磷酸、盐酸和有机磺酸等为催化剂，容易腐蚀设备，产生大量含酸废水，废碱(酸)液排放容易对环境造成二次污染等。而且使用酸碱催化剂后续处理复杂，产物的分离比较困难。为克服这些弊端，人们一直在探索以环保型催化剂取代硫酸。

用固体超强酸作催化剂制备生物柴油，具有如下优点：催化剂与产物易分离；无腐蚀性，对环境无污染；催化效率高，用量少，副产物少。使用固体酸催化制备生物柴油的方法也有很多报道（陈和，王金福过程工程学报，2006，6(4)：571-575．F, Satoshi. et al. Catalysis Communications, 2004, 5(12): 721-723.）但是要求反应条件苛刻。故而现在许多学者致力于寻找更加简单可行的方案，同时开发环境友好的绿色催化剂。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种与产物易分离、对环境无污染、催化效率高的用于由脂肪酸制备生物柴油的固体酸催化剂。

为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种固体酸催化剂，该催化剂为硫酸锆纳米粒子，粒径为30～900 nm，其是通过以下步骤制备的：（1）将5 g八水合氯氧化锆（ZrOCl₂·8H₂O）溶于100 mL水，常温搅拌，待溶液澄清后，加入25%的氨水，将溶液的PH值调为8，得到氢氧化锆白色沉淀，过滤，用水洗涤至滤液中不含氯离子，80 °C干燥24小时，研磨成粉末待用；（2）将2 g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于40 mL乙二醇中，60 °C搅拌，待溶液澄清后，加入0.5～4 g步骤（1）研磨好的氢氧化锆粉末，搅拌2 h，加入0.2 M H₂SO₄溶液3 mL，搅拌12 h，转移到聚合釜中，放入烘箱，烘箱温度设置180°C，12小时之后，冷却至室温过滤洗涤干燥，得到纳米硫酸锆原粉；（3）将步骤（2）中得到的纳米硫酸锆原粉于马弗炉焙烧，升温速度1°C /min，650 °C下恒温5 h后得到产物纳米硫酸锆。

作为一种优化，所述步骤（2）中加入的氢氧化锆粉末量为0.5 g，所制备出的催化剂硫酸锆纳米粒子分散性好，粒子形状为球形，粒径为30～50 nm。

作为一种优化，所述步骤（2）中加入的氢氧化锆粉末量为1 g，所制备出的催化剂硫酸锆纳米粒子分散性好，粒子形状为椭球形或鸭梨形，粒径为500～900 nm。