科学发展 李云霞 ，朱丹丹： （１．河南机电职业学院，河南郑州４５０００２：２．郑州旅游职业学院，河南郑州４５０００７） 辫 生物柴油合成用木质素固体酸催化剂的制备 【摘要】在生产生物柴油过程中使用传统的催化剂，很容易给环境带来严重污染，因此需要加快研究并开发新型的固体催化剂。本文采用天然生物 木粉作为制备原料，采用碳化一磺化方法来制备用于生产生物柴油的固体酸催化剂，并对比了几种不同原料对催化剂性能的影响，以此为生物柴油合成用 固体酸催化剂的制各提供参考。 【关键词】生物柴油；固体酸催化剂；酯化 ０．引言 备的催化剂最高，达到３．６‰并且其中的硫元素多存在于磺酸基团中，因此 更加稳定。 生物柴油是一种可替代石化柴油的新型燃料，具有无污染、燃烧性能 好以及含硫量低等特点。在制备生物柴油过程中常用到均相酸催化剂，如 浓硫酸等，这些催化剂虽然有较高的催化活性、且反应迅速，但是存在腐蚀 性强和废液无法回收等问题，严重污染了环境。对此一些研究者提出制备 固体酸催化剂，将原有的均相变为多相进行反应，如目前应用较多的有阳 离子交换树脂等Ⅲ。但这些常用的固体催化剂在使用过程中也存在稳定性 差和活性不够等问题，这就需要进一步改善以提高其催化性能。本文使用 天然生物质木粉作为制备原料，研究了通过碳化一磺化方法来制备固体酸 催化剂的方法。 １．实验内容 １．１原料与仪器 实验试剂：浓硫酸（９８％）、乙醇、纤维粉、无水乙醚以及油酸等，所有试 表１不同原料制各炭基催化剂的酯化情况对比 表２不同原料制各炭基催化剂的元素含量情况对比 剂均经过分析和提纯，并采用干燥木粉作为实验原料。采用氮气作为实验 过程中的保护气体。实验设备包括管式炭化炉、旋转蒸发器和电热干燥器 等。 １．２制各木质素固体酸催化剂的过程 本次研究选择生物质木粉作为制备原料，首先称取适量干燥的木粉， 置于炭化炉中。在其中注入氮气进行保护，温度控制在四百摄氏度左右，根 据需要控制碳化时间。在看到黑褐色固体后结束碳化，并将这些固体进行 研磨日。之后将碳化产物与浓硫酸进行反应，在两者充分磺化后自然冷却， 并在混合物中注入适量蒸馏水，充分搅拌后过滤。最后在过滤液中加入蒸 馏水洗涤，直至混合液的ＰＨ值为中性后，在九十摄氏度下充分干燥即可。 １．３生物柴油的合成率计算 称取适量油酸和乙醚与乙醇的混合物放置于高温反应容器中，加入适 通过使用红外线分析仪来对这几种不同的炭基催化剂进行分析，也可 以发现在碳化与磺化反应过程中，这些物质中的硫氧键均发生了变化，这 就表明这几种催化剂中的磺酸基均在催化活性中充当着重要位点。而应用 ｘ线多晶衍射仪来对这几种物质进行分析，可知它们的结构均为不定性 碳。 ２．２不同木粉种类对催化剂性能的影响 量固体催化剂，加热至一定温度，这时候体系的压力会随之升高，设置每分 钟９５０圈的搅拌速率，控制好反应时间。待结束反应后并冷却后，将固体催 化剂分离出来，之后对剩下的滤液进行蒸馏，以去除其中没有充分反应的 水和乙醇，这样就得到生物柴油。之后根据油酸称量的初始数值与样品的 酸值来计算合成率目。 般来说，不同的树木种类其所含的木粉成分并没有很大的差异目。为 了探究不同树种木粉对制备催化剂活性的影响，本次研究选择柏树、白松 和落叶松这几种不同树种的木粉原料，通过碳化和磺化来进行固体酸催化 剂的制备。本次实验的碳化温度为四百摄氏度，碳化时间控制在－４，时左 一右，而磺化温度为一百五十摄氏度，时间也为一小时，酯化时间控制在五小 时左右。实验结束后计算酯化率，可知这三种树种的酯化率分别为８５．６４％、 ９０．２３％和８２１３１％，这也表明这些它们的酯化率均较好。但在实验过程中也 发现使用落叶松木粉容易堵塞设备，这与其树脂含量较高有很大的关系， 这样就不容易控制碳化过程。因此，为保障实验的顺利开展并且有较高的 酯化率，选择白松作为本次制备固体酸催化剂的原料最佳。 ２．３固体酸催化剂的重复使用性能 为了解木质素催化剂是否可以重复多次使用，在制备实验结束后，通 过蒸馏洗涤得到催化剂。将这些物质放置于９０摄氏度下进行干燥，之后设 置相同的条件充分利用这些催化剂。结果表明在第一次使用后，催化剂的 性能并没有发生变化。而在经过第六次使用后，催化剂的活性有所下降，这 可能与其中所含磺酸基团的活性有关，但其转化率依然在百分之六十以 上，这也表明该催化剂的重复使用性能较好。 ３．结语 本次研究中在对比使用不同树种的木粉制各催化剂后，最终选择使用 白松木粉。同时选择淀粉、纤维素以及葡萄糖等不同的原料来制备炭基催 化剂，并与木质素催化剂进行对比分析，发现使用这些原料制备的催化剂 均为不定形炭结构，且均含有磺酸基团，而木质素固体酸催化剂中所含硫 的量最高，且最为稳定，相对而言催化性能更好并有很好的重复使用性。一 参考文献 Ｉ１Ｊ奚立民，柯中炉期离子交换树脂催化油脂副产物制备生物柴油的 动力学研究 石油化工，２０１１（０４）． ［２１王督，苏有勇，王华，吴桢芬，陈飞．碳基固体酸催化高酸值生物柴油 １．４催化剂性能与结构分析 对实验中产生的固体酸催化剂进行衍射分析，应用的仪器为ｘ射线 多晶衍射仪 设置４５千伏的电压，电流为１００毫安，由单色石墨管发出射 线，ｘ光波长为０．１５２纳米，扫描范围在１０－９０度之间。同时采用红外光谱 仪与元素分析仪器，对固体酸催化剂中所含的元素以及红外光谱情况进行 分析。 ２．结果与讨论 ２．１不同原料对催化剂性能的影响 本次研究不仅选择木质粉作为原料，也分别选择淀粉、纤维素以及葡 萄糖等作为原料，均采用相同的制备工艺，得到炭基固体酸催化物，并从组 成元素、ｘ线衍射和红外光谱等方面进行分析，了解他们各自的催化活性， 并与使用木质素合成的产物进行对比。 下表１所示为不同原料制备固体酸催化剂与甲醇进行反应的情况。本 次酯化反应控制温度为９０摄氏度，反应时间为两小时，沸腾温度为７Ｏ摄 氏度，催化剂使用量为称取油酸质量的百分之五Ｉ４］。通过下表可知与其他原 料制成的催化剂相比，使用木质素所得的固体催化剂酯化程度更高，为 ９５．６％，而使用纤维素、淀粉和葡萄糖制备的固体酸催化剂，其酯化率分别 为９２．１％、９０． 和８３．２％。 分析这四种原料制备催化剂中所含的元素，具体见下表２所示。通过 下表可以看出，各类催化剂中所含的硫元素，以采用天然木质粉为原料制 １８７－￣Ｉ 科学发展 数据采集传输终端的研究及在环境监测中的应用 陈姝蓉 （哈尔滨市环境监测中心站，哈尔滨１５００７６） 摘要：现阶段，人们的环保意识在不断增强，为了有效解决环境问题，促进环保事业的发展，环境监测系统得到了广泛的关注，该系统为环境管理、 环境决策与环境执法等提供了可靠的数据，因此，推动了我国环保工作的有序与高效开展。本文研究了数据采集传输终端及其在环境监测中的应用，旨在 发挥信息技术的作用，保证监测目标的实现。 关键词：数据终端；环境监测；以太网 引言：随着科学技术水平的不断提高，为我国环境监测系统的发展奠 定了坚实的技术基础，但环境监测具有复杂性，在对其进行全面的研究与 分析后，数据采集传输终端应用到了环境监测之中，在此基础上，提高了监 测的质量，保证了管理的效果，本文主要阐述了以太网在环境监测中的应 用，旨在推动我国环保事业的可持续发展。 １、环保监测系统的概况 此，对宽带有着较高的要求。以太网的成本较低，其配置为１００Ｍｂ／ｓ，此时 它的通信速度可以满足不同领域的宽带要求［２ｊ。 ３、基于以太网的环境监测系统 ３．１总体设计 在环境监测系统中，原有的系统主要运用了终端计算机和ＰＬＣ的结 合，在此基础上，利用监测设备、传感器从而实现了对数据的采集、处理与 发送，在此方式下，环境监测具有较高的成本 同时对环境的要求也相对较 高，为了保证环境监测的效果，在原有监测系统的基础上，嵌入了小型的终 端，即；以太网，其具诸多的功能，进而代替了ＰＬＣ、终端计算机与传输软件 等 此时的环境监测系统具有多点监测、分布式采集的功能。 ３．２硬件设计 数据终端运用过程中对于以太网的要求相对较低，１０Ｍ以太网便可以 满足其要求，在通信速率、系统实时性等方面均可以达到其要求，以太网的 硬件主要包括传感器、继电器、接触器、预处理电路、电源模块、以太网接口 与调试口等构成。 ３．３软件设计 环保监测事业有着较长的发展时间．，在信息技术的作用，环境监测系 统也随之出现，并得到了快速的发展。 ． 环境监测的方法有单台仪器间断法，此方法不能保证数据的共享，同 时也不能掌握相关的数据，不能实现对重大污染事故的预防；在计算机技 术的影响下，环境监测系统积极发挥了计算机的作用，建立了监测信息网 络：在科学技术的进一步发展与作用下，环境监测也具有了信息化、网络化 与自动化的特点，在线监测系统在各个领域均有着较为广泛的应用。 现阶段，环境监测系统主要分为以下几类 现场总线法，它主要是借助 了现场总线，将其与计算机进行连接，但其采集的范围相对有限，不能适应 环境监测发展的实际需求；计算机和ＰＬＣ结合法，它具有诸多的优点，如： 较强的适应性、较强的监测能力与可靠的终端，同时其实效性也相对良好， 但其缺点表现为较大的体积与较高的要求：短信息法，它的价格较低、使用 简单，因此，具有广泛的用户群体，在环境监测中的应用虽然具有多元的功 能，但其实效性不足、成本较高、数据也缺乏完整性与传递性：无线采集法， 它最为明显的缺点便是不稳定的网络状态，在此基础上，信息的传递缺少 及时性、可靠性与准确性；以太网方式，它是最为先进的技术，具有一系列 的优点，如：较为的覆盖范围、较高的可靠性与安全性、较低的成本、完善的 功能、灵活的系统，同时在环境监测中应用以太网，满足了环境监测的实际 要求Ⅲ。 当前，嵌入式以太网的而应用十分广泛，但其程序也具有一定的复杂 性，其中实时多任务操作系统具有典型性，此时的系统实现了对数据的采 集，同时也具有网络传输的功能，但该系统仍需要结合操作系统与协议栈， 在此基础上，才能够降低开发的难度、减少开发的时间。 在操作系统方面，主要是指嵌入式操作系统，主要的类型有两种，分别 为免费型与商用型，前者具有低廉的价格与较高的性能；后者虽然其技术 支持、售后服务与系统稳定性、可靠性等方面均十分完善，但其费用较高。 在协议栈方面，嵌入式系统对协议栈的需要日益强烈，当前在操作系 统中均有ＩＰ／ＴＣＰ协议栈，但它不能满足应用的需求，因此，要不断提高协 议栈的性能，使其应用具有单一性与针对性［３１。 总结：综上所述，在科学技术的支持下，以太网技术在环境监测系统中 ２、以太网数据终端的概况 在网络技术的作用下，以太网数据终端得到了进一步的发展，其主要 的局域网技术有三种，分别为以太网８０２．３，１００Ｍｂｐｓ以太网，１０００Ｍｂｐｓ以 太网。 得到了应用，本文对其应用进行了分析，并设计了基于以太网数据终端的 环境监测系统，此系统具有一系列的优点，分别为简单性、广泛性、可靠性 与低成本，相信，随着环境监测系统的日益完善，我国环保事业将得到长足 的发展。■ 参考文献 …１黄丽军．远程数据采集和传输终端的研究和设计ｆＤ】．北京邮电大 学，２００９． 以太网的优点众多，其中灵活性、便捷性与低成本性，使其得到了广泛 的建立，在实际应用过程中，为了完善以太网，对其中存在的问题进行了有 效地、及时地解决。 以太网在各个领域中的应用，主要其优势得到了关注，具体的优势内 容如下： 其一，低成本性，以太网的结构、维护与管理等各个环节均十分简答与 便捷，因此，对其应用的成本偏低。 其二，广泛性，以太网的软件资源、硬件资源与技术支持均较为广泛， 同时其功能的完善性与价格的低廉性，促进了以太网的可持续发展。 其三，高宽带，在不同领域中的应用，其传输的数据量均相对较多，因 【２］罗倩倩．基于物联网技术的无线数据采集传输终端的研究与应用 Ⅱ１．黑龙江科技信息，２０１３，３４：１５７＋７０． 【３】朱根茂．嵌入式ＧＰＩ￣Ｓ环境监测数据采集系统的研究与开发ｌＤ１．合 肥工业大学，２０１２． 原料降酸效果卟农业工程学报，２０１０（１１）． 【３１淳宏，谢文磊，王迎宾，王涛．ＳｎＯ￣－Ａｌ２Ｏ，固体酸催化大豆油酯交换 制备生物柴油卟粮食与油脂，２０１２（１２）． 【４］高琦，许汉祥，李为民．废工业棕榈油制备生物柴油的研究 ．粮食 与食品工业，２０１０（Ｏ５）． 学报，２０１１（２１）． 作者简介： 研究方向 李云霞（￣９８１一），女，河南开封人 理学硕士，研究生，助教。 催化方向。 朱丹丹（１９８３一），女，河南开封人，工学硕士，研究生，助教。 研究方向： 精细有机化工。 【Ｓ】孟中磊，蒋剑春，李翔宇．生物柴油的发展近况及趋势Ⅲ．农业工程 ８８
