以离子液体催化制备生物柴油为研究课题在教学实验中的应用
时间：2021-02-05 08:00:50 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：采用两步合成法制备[Bmim]BF4离子液体，作为催化制备生物柴油在教学实验所用的催化剂。实验以大豆油、甲醇为原料，引导学生选择不同的实验条件，按照正交试验法的实验方法，以分组进行实验、最终多个实验小组实验数据汇总。按照建立跨班级、跨实验小组的实验结果的数据库，分析实验规律的方法进行实验教学。探索了离子液体用量、反应温度、反应时间、醇油比等因素对制备生物柴油的影响。确定了最优反应参数为：醇油比为8.3：1，催化剂用量为0.3%，反应温度60℃，反应时间3h。通过教学实践可知，作为全方位开拓培养学生实践能力，以课题研究为导向的实验教学有较好的教学效果。
关键词：生物柴油；离子液体；[Bmim]BF4；实验教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）33-0233-02
一、引言
生物柴油（Biodiesel），即脂肪酸甲酯，是一种含氧清洁燃料，由菜籽油、回收烹饪油、动物油等可再生油脂制取加工而成。作为优质的柴油代用品，属环境友好型绿色燃料，具有深远的经济效益与社会效益。对保障石油安全、保护生态环境、促进农业和制造业发展、提高农民收入，产生相当重要的积极作用[1]。生物柴油的制备实验是中国石油大学化学工程学院为适应社会需求、培养紧密贴近科研前沿所设置的一项应用化学专业实验。
目前化学催化法是应用最广泛的方法，但均相强酸、强碱催化剂的后处理问题，易于造成污染环境。而非均相负载型固体碱催化剂存在催化活性较低的缺点[2]。
离子液体（ionic liquid）具有挥发性低，在较宽的温度范围内保持液相，且不燃等优点，具有明显的“绿色”环保性质。离子液体的生物柴油合成方法，是采用有烷基咪唑、季铵（磷）盐等含氮、含磷化合物与金属或非金属的卤化物形成在室温下呈液态的离子液体作为催化剂，用来合成生物柴油。该方法的特点就是离子液体既可以作催化剂又可作溶剂，加快反应，绿色环保的优点[3，4]。
对应着本科生实验项目所经常提及的研究型、开放型、综合型这三种教学类型，具体的如何支持学生参与科学研究，如何让学生在专业实验中尽快地运用科研思维来学习教学实验，应当是每一个实验教学工作者的重要的工作命题。
教学实验进行之前，首先安排进行大学生创新实验的几名学生进行催化剂的制备。采用两步法合成得到[Bmim]BF4离子液体并运用红外光谱仪进行官能团分析确定最终目标产物。然后将其作为教学实验用催化剂用于合成制备生物柴油，并对制备的生物柴油进行了气相色谱仪的定量和定性分析表征。
二、[Bmim]BF4离子液体的制备
本实验类型定位为研究型教学实验。为此将前沿科学问题作为教学内容提出，让学生进行课前文献查阅并写出相应的实验设计方案。课堂进行中，实验老师进行合理的引导，最终按照正交试验法这种最优化方法科学实验方法，以分组进行实验、最终多个实验小组实验数据汇总。按照建立跨班级、跨实验小组的实验结果的数据库，分析实验规律的方法进行实验教学。当学生知道自己正在讨论和实践的内容是学术前沿或者是热门研究项目的时候，并且是有分工、有合作的形式进行科研探索，自然而然就能够激发起学习热情和研究兴趣[5]。
三、离子液体做催化剂制备生物柴油
1.实验过程。称取30g大豆油，放入250mL的三口烧瓶中，架上回流冷凝管，置于电热式磁力搅拌器中。缓慢搅拌升温至所需温度，按预先设定的反应参数，计算催化剂用量及甲醇用量，分别滴加到烧瓶中。开始计时，同时恒温搅拌，反应结束后，将产物温度降至室温。在分液漏斗中静置20min，等分层后，下层为甘油相，上层为反应得到的生物柴油。
将分出的甘油相减压蒸馏，分离的离子液体催化剂用正己烷洗涤，并在70℃下真空干燥3h。离子液体回收后可再次回收重复使用。
2.正交试验的设计。实验过程归纳引导学生认识“正交试验设计法”等最优化实验方法的应用。正交试验法可以以较少的试验次数得到较优的较全面的实验规律。这是进行科研项目实验方案设计的常规要求，也是进行实验的必要素质要求。[6]
有了合理的实验方案才能得到理想的实验结果。实验过程可以将学生分成小组，分别进行自主选定不同反应条件如：选定不同的催化剂用量；采用不同的反应操作条件，如改变时间、温度、压力等。这样可以在确定实验要求目标的前提下，制定正交实验的因素与水平表，制定正交试验的方案。
正交试验法可以有效整合各个因素和水平，比较可信地反映出实验的真实状况。根据前期单因素实验的研究结果，确定影响生物柴油制备的4个主要因素：离子液体用量、反应温度、醇油摩尔比和反应的时间。采用4因素3水平，进行正交试验设计。探索生物柴油转化率的变化，探索优化条件，得到更高的酯交换转化率。
由表2可知，极差大小顺序为RC>RD>RB>RA，即影响生物柴油产率的因素的顺序为反应温度>反应时间>催化剂的量>醇油比。离子液体[Bmim]BF4制备生物柴油的优化条件为：醇油比8.3：1，离子液体用量0.3%，反应温度60℃，反应时间3.5h。所得生物柴油的产率为71.71%。
四、生物柴油的仪器表征
选取学生实验制备的典型生物柴油样品，按照要求处理并进行气相色谱测定。
1.实验过程。采用SP-3420A色谱仪，BF2000工作站，KB-Wax毛细管色谱柱（30m×0.25mm×0.25μm）；氢火焰检测器（FID）。调节柱温210℃；汽化室温度280℃；检测器温度280℃；分流比10：1，进样体积1μL，载气为N2，辅助气为空气，柱头压为0.1MPa的参数条件进行色谱分析。用丙酮将生物柴油稀释10倍，静置后吸取溶液上层清液，注入色谱仪。
2.色谱仪分析结果（见图1）。对学生制备的生物柴油的成分和组成进行气相色谱图分析后。结果表明：参照各标准品谱图确定制得的生物柴油主要由4种脂肪酸甲酯组成：亚油酸甲酯、油酸甲酯、亚麻酸甲酯和棕榈酸甲酯。其不饱和脂肪酸甲酯的含量较高（大于93%），饱和脂肪酸甲酯的含量较低。从谱图上的保留时间推断这些百分含量低的组分大部分为碳链较长，分子量较大的脂肪酸甲酯，证明试验所得的产物主要为生物柴油。
五、结论
通过教学实践可知，将离子液体作为催化剂制备生物柴油作为课题研究导向的专业教学实验课，能够全方位开拓培养学生实践能力、吸引学生进行课题研究。符合转变教育思想、促进实践教学改革、提高人才培养质量的高校教育改革的目标，有其进一步进行教学研究和探索的价值。
参考文献：
[1]王一平.生物柴油制备方法研究进展[J].化工进展，2003，22（1）：8-12.
[2]赵光辉.生物柴油产业开发现状及应用前景[J].化工中间体，2013，（02）.
[3]李胜清，刘俊超，刘汉兰，等.B酸离子液体催化剂在生物柴油制备中的应用[J].湖北农业科学，2009，48（2）：438-441.
[4]李怀平，汪全义，兰先秋，等.离子液体[Hmim]HSO4催化菜籽油制备生物柴油[J].中国油脂，2008，33（4）：57-59.
[5]郭福.从卓越工程师教育培养计划谈产学研合作教育中的几种关系[J].中国大学教育，2014，282（2）：27-28.
[6]钱洁，石嘉豪，费俭.模拟科研情境开展研究型实验教学[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：132-134.
