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生物柴油被证实可以替代石化柴油直接被发动机使用,其具有可再生、原材料容易获得、污染性小等优点。目前生物柴油工业主要将均相碱催化剂用于实际生产,但该过程会消耗大量水清洗,并且催化较高酸值的油脂时容易发生皂化等不良反应。镧钙基固体碱催化剂已被证实具有优异的酯交换催化性能、良好的稳定性和卓越的耐酸性能,但是其存在制备方法复杂、制备成本较高、孔结构不发达等缺点。本文在国家自然科学基金(51876106)、山东省重点研发计划(2018GGX104027)以及山东大学青年学者未来计划项目(2015WLJH33)资助下,分别通过浸渍法和水热法制备了镧复合白云石固体碱和埃洛石纳米管负载镧钙固体碱催化剂,并成功利用两种催化剂生产生物柴油。本文优化了催化剂的制备条件,并通过 XRD、XRF、XPS、ATR-FTIR、N2-吸附解吸、CO2-TPD、NH3-TPD、SEM-EDS、Hammett指示剂等系统的表征手段,从微观的角度解释了催化剂的催化性能。同时,本文优化了镧钙固体碱催化剂催化酯交换反应的工艺条件,研究了催化剂的循环利用性能。最后,本文以密度泛函理论为基础,探究了镧掺杂钙基固体碱催化剂吸附甲醇和乙酸性能的影响机制。本文所得结论将能在理论上支持我国生物柴油的实际发展。(1)通过浸渍法制备了镧-白云石固体碱催化剂。镧-白云石固体碱催化剂的制备条件优化为镧与白云石的摩尔比为1、活化温度为800℃。同时,在催化剂添加质量百分比为7wt.%、反应温度为65℃、甲醇与原料油的摩尔比为18以及反应时间为180分钟的工况条件下,镧-白云石固体碱催化剂催化酯交换的生物柴油收率达到98.7%,且相应的催化酯交换的活化能为57.68kJ/mol。镧-白云石固体碱催化剂具有优异的重复使用性,在第五次重复使用时生物柴油的收率为95.9%。同时,酯交换所得生物柴油的主要理化符合GB/T20828-2015要求。(2)通过水热法制备了埃洛石纳米管负载镧钙的固体碱催化剂(HNTs-La/Ca),并研究了其催化酯交换生产生物柴油的性能。首先分别以气相SiO2、γ-A12O3、MCM-41和HNTs为前驱体制备了四种催化剂,得出以HNTs为载体的催化剂活性最强。进一步优化指出HNTs-La/Ca催化剂中适宜的La2O3与CaO质量比为1.5。研究了 HNTs-La/Ca催化剂催化酯交换时抵抗脂肪酸中毒的能力。当反应条件为原料油酸值为0.34mg KOH/g、催化剂添加量7wt.%、反应温度150℃、甲醇与原料油的摩尔比18、反应时间120分钟时,生物柴油收率达到97.5%,在重复使用第5次时生物柴油收率依然能够达到88.7%,酯交换反应制得的生物柴油理化性质符合ASTM-D6751要求。此外,HNTs-La/Ca催化剂能够在高酸值(>10 mg KOH/g)的条件下维持3个重复使用周期的高生物柴油收率(>72%)。(3)通过分子模拟研究了镧掺杂对氧化钙吸附甲醇和乙酸的影响。构建并验证了甲醇在CaO(100)和La-CaO(100)表面的吸附模型,得出镧改性能够提高CaO(100)表面结构的稳定性。计算了甲醇在氧化钙表面的吸附能和解离活化能以及乙酸在氧化钙表面的吸附能,分析了甲醇和乙酸在氧化钙表面成键的态密度,研究了 CaO(100)和La-CaO(100)表面吸附甲醇和乙酸的Mulliken电荷布局。当氧化钙吸附甲醇时,镧掺杂对吸附能变化几乎没有影响,但明显降低了甲醇的解离活化能。当氧化钙吸附乙酸时,乙酸在纯氧化钙表面发生解离,镧掺杂之后乙酸未发生解离,吸附能明显降低。