在全球性资源短缺、环境污染、生态破坏危机的背景下,生物柴油作为最易于应用和推广的绿色能源而深受研究部门和企业的青睐。我国的生物柴油产业发展不足但潜力巨大,生物柴油产业的发展、健全将有效降低石油依存度,维护国家能源安全,减少环境压力,促进经济、社会的可持续发展。相较于传统的生物柴油制备工艺,反应-分离集成工艺为生物柴油生产提供了新的技术和思路,其中膜反应工艺为生物柴油生产提供了一条经济、绿色的路径,特别是在生物柴油生产成本依旧居高不下的前提和全球低碳经济发展模式的要求下,膜反应工艺的低成本、低能耗和高效率的优势显得特别突出。本文分别将固体碱、固体酸、整体催化剂催化与微滤膜分离在膜反应器耦合,研究和优化膜反应器中大豆油与甲醇的酯交换反应过程,并对固体碱催化的膜反应工艺进行建模。通过原位合成与浸渍法结合制备了碱性催化膜,以期将其应用于膜反应器中。1、自行搭建了连续化膜反应器,采用KF/Ca-Mg-Al HT为催化剂实现了非均相碱性催化与膜分离耦合制备生物柴油。研究结果表明,生物柴油产率随反应温度的升高、催化剂用量的增加而提高,随循环流速的提高呈现先提高后降低的趋势,其中反应温度对生物柴油产率影响最大。通过面响应CCD实验设计优化得出最优的工艺条件为反应温度70℃、催化剂填装量0.531 g/mL、循环流速3.1mL/min,该条件下反应3小时生物柴油收率达到91%,催化剂具有良好的重复使用性。2、制备了PTSA/MCM-41催化剂并将该催化剂应用于膜反应器制备生物柴油中。研究结果表明,PTSA/MCM-41催化剂在膜反应器中表现出良好的催化活性,膜反应器中该催化剂催化活性和重复使用性与其它研究中的固体酸催化剂活性相当,但在膜反应器中所需反应条件相对温和。优化得到最优的工艺条件为反应温度80℃、催化剂填装量0.27 g/mL、循环流速4.15 mL/min,该条件下反应3小时生物柴油收率达到85%,催化剂具有良好的重复使用性。3、通过原位合成的方法在蜂窝陶瓷的表面合成了Ca-Mg-Al水滑石,并通过浸渍法负载KF制备了KF/HT/HC整体催化剂,并将该催化剂应用于膜反应器制备生物柴油。研究结果表明,原位合成的方法可以成功将水滑石负载在蜂窝陶瓷表面,同时,原位合成的水滑石大大增加了蜂窝陶瓷载体的比表面积,为KF负载过程中活性中心的构建和负载提供了有利条件。KF/HT/HC催化剂膜反应工艺中,生物柴油产率随反应温度的升高、催化剂用量的增加而提高,随循环流速的提高呈现先提高后降低的趋势,其中反应温度对生物柴油产率影响最大；在较高的催化剂用量和循环流速的条件下,由于皂化的影响,生物柴油的收率随两者的升高出现了下降的趋势。优化得到最优的工艺条件为反应温度70℃、催化剂填装量0.3 g/mL、循环流速4.9mL/min,该条件下反应3小时生物柴油收率达到91.6%,催化剂具有良好的重复使用性。4、通过实验数据拟合得到了反应的动力学参数、液-液相交互作用参数以及过滤方程,建立了固体碱催化的膜反应工艺的模型。在Aspen Plus中模拟了单程膜反应(一个“基元”)；使用Matlab求解了并分析了膜反应工艺的模型。模拟和模型计算结果表明,反应原料中大豆油初始质量分数0.4～0.6的范围内,转化率在70%以下时体系均处于两相,其中大豆油转化率低于60%时,富甲醇相中的油含量很低。生物柴油收率的模型计算值与实验值吻合良好。随着反应温度的提高,同一时刻下生物柴油收率提高,但其上升趋势基本一致,能达到的最大收率也基本一致,但温度较低时达到相同生物柴油收率所需时间较长,表明膜反应器可以通过连续移出产物,从而打破平衡限制,促进反应正向进行。5、通过原位合成法在惰性陶瓷膜表面合成了Ca-Mg-Al水滑石,并通过浸渍法负载KF制备了KF/HT/CM碱性催化膜。研究得到陶瓷膜表面原位合成水滑石的最优条件为：晶化温度150℃,晶化时间6小时,尿素/阳离子摩尔比3：1。制备得到的碱性催化膜具有与KF/HT粉末相当的催化活性和重复使用性。