生物柴油比传统化石燃料拥有更好的可再生和环保性能,近年来在政府的大力扶持下,生物柴油产业发展迅猛。以CaO为代表的固体碱催化剂,具有催化酯交换条件温和、设备腐蚀性小、可重复使用性好等特点,成为近年来生物柴油催化剂研究的重点。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,以白云石或碳酸钙为钙源,通过不同的改性方法实现钙基固体碱催化剂的调控制备,并用于催化酯交换生产生物柴油。同时,结合XRD、N2吸附脱附、XPS、CO2-TPD、SEM、EDS、FTIR、碱量碱密度测定等系统的表征手段,分析改性钙基固体碱催化剂的物相组成、微观孔隙、表面化学等特征。对催化剂催化酯交换反应的工况参数,本文进一步采用单因素法、响应曲面法等进行优化,同时对催化剂的重复使用性能及失活原因进行探究。本文研究结果为酯交换钙基固体碱催化剂的研发及其催化合成生物柴油的产业化应用提供了理论依据。(1)以白云石为钙源,以铈为改性活性剂,制备了铈改性的基于白云石的钙基固体碱催化剂,并探讨了其催化合成生物柴油的性能。分别采用浸渍法、机械混合法、改进浸渍法三种方法制备了白云石复合铈固体碱催化剂。结果表明,改进浸渍法所得催化剂催化酯交换活性最高,且优化的铈与钙的摩尔比为0.6。通过表征分析,在此条件下制得的催化剂碱密度可达2.21 mmol/g,催化剂比表面积为19.34m2/g,孔径分布在2nm-20nm之间,铈使得催化剂出现不规则的薄片结构,同时以Ce3+和Ce4+两种形式共存于催化剂中。经过单一变量探究得到白云石复合铈固体碱催化酯交换的最佳工况参数为催化剂添加量5wt.%、醇油摩尔比15:1、酯交换温度65℃和酯交换时间2h,相应的生物柴油收率最高可达97.21%。并且由于CaO和CeO2之间的强协同作用,铈改性大大降低了钙基活性位在液体酯交换产物中浸出率,催化剂重复使用的稳定性大大提高,经过5次重复使用,生物柴油的收率依然能保持为88.63%。同时,催化所得生物柴油各项理化指标符合ASTM D 6751和EN 14214标准,具备商业化应用的潜质。(2)制备了钙锌铝铈型复合物Ca-Zn-Al-Ce固体碱催化剂,并借助响应曲面法优化了催化酯交换的工况参数。分别采用浸渍法、共沉淀法、水热合成法三种方法制备Ca-Zn-Al-Ce催化剂,并优化钙元素添加量,最后优选Ca:Zn:Ce:Al摩尔比为5:4:1:1的水热法用于合成催化剂。通过表征分析,催化剂的总碱度为0.922mmol/g,其中强碱量达到0.794mmol/g,催化剂结晶度较高,平均孔径和比表面积分别为14.99nm和3.231m2/g。该催化剂稳定性好,重复使用5次的生物柴油的收率仍能达到87.37%,且所生产的生物柴油理化指标符合ASTMD6751标准。采用响应面方法结合中央复合设计(RSM-CCD)用于优化酯交换参数并构建生物柴油产率的预测模型,得到催化剂反应的最佳工况参数为酯交换温度66.12℃、催化剂用量8.19wt.%、醇油摩尔比为18.53:1,相应的生物柴油收率可达99.44%。通过三次重复实验验证,与模型预测结果偏差0.03%,证明了该回归模型是稳定可靠的。