بخشی از مقاله
بررسی تولید سوخت بیودیزل از استری کردن انتقالی روغن گیاهی با استفاده از نانوکاتالیست KF, -Al2O3 بارگذاری شده روی آن
خلاصه:
با توجه به نیاز روزافزون به سوخت دیزل و نگرانی از اثرات منفی آن بر محیط زیست، استفاده از سوختهای پاک مانند بیودیزل در اولویت برنامههای اکثر کشورها قرار گرفته است.ایران از جمله کشورهایی است که توانایی تولید بالای دانه شلغم را داراست و با استفاده از واکنش استری کردن انتقالی و استفاده از نانوکاتالیستها میتوان سوخت پاک و گیاهی بیودیزل را تولید کرده و استفاده نمود.
در این تحقیق و بررسی با استفاده از روغن کانولا و متانول و ایجاد واکنش استری کردن انتقالی در حضور نانوکاتالیست KF, -Al2O3 بارگذاری شده روی آن در دمای 338oK و پس از 8 ساعت محصول بیودیزل با بازده 97.7-2.14 درصد حاصل شد . پارامترهای مورد مطالعه نسبت KF به نانو--γآلومینا، دمای برشته (خشک) شدن، نسبت مولی متانول به روغن، دما و زمان واکنش استری کردن انتقالی و غلظت کاتالیست مورد استفاده هستند
کلمات کلیدی: بیودیزل,نانوکاتالیست,استری کردن انتقالی, روغن کانولا
- 1 مقدمه
بیودیزل ( اسید چرب متیل استر) یک سوخت پاک است که منابع طبیعی و قابل تجدید مانند چربی حیوانات و روغن گیاهی ساخته می شود.[1] واکنش قابل استفاده برای این تبدیل استری کردن انتقالی است .[3,4] همچنین این سوخت پتانسیل جایگزینی یک بخش از
نفت خام دیزلی را دارد .[2] استفاده از بیودیزل در یک موتور گازوئیلی منجر به کاهش اساسی هیدروکربنهای سوخته، منواکسید کربن و ذرات معلق می شود. با به کار بردن این سوخت از سهم کربن موجود در ذرات معلق کاسته میشود (چون اکسیژن موجود در بیودیزل احتراق کامل را ممکن میسازد). همچنین بخش سولفات از بین میرود(زیرا در این سوخت اصلاً سولفور وجود ندارد)، بنابراین بیودیزل با تکنولوژی جدیدی مانند کاتالیستها [3,4] (که ذرات محلول
گازوئیل را میکاهند نه کربن جامد) و EGR (با کربن کمتر، عمر موتور بیشتر میشود) بسیار خوب کار میکند.
فرآیندهای تجاری با تکیه بر استری کردن انتقالی تریگلیسریدها با متانول و کاتالیست همگن قلیایی (KoH, NaOH) انجام میشود. کاتالیستهای همگن زمانهای واکنش به نسبت کوتاه وابسته به فعالیت کاتالیستی کوتاهشان ارائه میدهند، اما سخت بودن جداسازی کاتالیست از فاز گلیسرین باعث میشود که آنها غیربازیافتی و غیرقابل استفاده دوباره شوند.[5]
استفاده کاتالیستهای غیرهمگن با تکیه بر تیمار حمایتی کاتالیستهای گوناگون مانند پودر متخلخل قلع، تیتانیوم، آلومینیوم با Na، NaoH، KCl، K2CO3، KNO3، KI، KBr، [6]-[10] KF
فواید گوناگونی شامل کاتالیست بازیافتی و دوباره قابل استفاده بودن را ارائه میدهند.
آلومینیوم معمولاً به عنوان یک کاتالیست حمایتی غیرهمگن به علت سطح فعالیت زیاد، ساختمان ساده و در دسترس بودن استفاده می شود.
کیم و همکارانش [6] نشان دادند که -Al2O3 تیمار شده با Na/NaoH به عنوان کاتالیست برای استری شدن انتقالی روغن سویا به بیودیزل در اتصال با متانول و نرمال هگزان برای یک تبدیل نسبتاً زیاد %94 استفاده میشود.
در مطالعه نازهات بوز و همکارانش [15] نانوـ -γ آلومینا به عنوان کاتالیست غیرهمگن برای واکنش استری کردن انتقالی روغن کانولا با متانول در یک سیستم راکتور ناپیوسته آماده و آزمایش شده است.
همچنین پارامترهای موثر روی محصول بیودیزل در واکنش استری کردن انتقالی مطالعه شده است
– 2 آزمایش
1-2 مواد
- نانو- - آلومینا از شرکت نانوپارس اسپادانا (درصد خلوص %99 و چگالی توده 125kg/m3، سطح ویژه 130-(270m3/gr
- KF (با یک خلوص 99.8 درصد حجمی) تهیه شده از شرکت مواد شیمیایی
- روغن کانولا خریداری شده از بازار مواد غذایی و خوراکی (یا روغن کانولا از دانه شلغم با استفاده از روغن استخراج با هگزان بدست آمده با اسید چرب آزاد (0.085wt%
2-2 لوازم
- دستگاه ارسال میکروسکوپی الکترون (TEM)
- کروماتوگراف گاز (GC)
- انکسار کننده پرتو (XRD) X
- طیف بین پراکندگی انرژی (EDS)
- پمپ حلقوی یا Peristaltic
- راکتور ناپیوسته با همزن مغناطیسی و کندانسور برگشتی
-
3-2 تهیه کاتالیست غیرهمگن
-γ آلومینا توسط خشک کردن در 500oC برای 3hr قبل از استفاده پیش فعال میشود [16] ، سپس KF بارگذاری شده روی نانوکاتالیست نانوـ -γآلومینا توسط روی رطوبت اولیه اشباع تهیه می شود[11]-[13]رطوبت اولیه اشباع یک مقدار آب که کمتر یا مساوی مقدار مورد نیاز برای پر کردن خلل و فرج ماده حمایت کننده است، استفاده میکند.
طبق مطالعات نازهات و همکارانش[15] بر اساس خواص جذب آب
نانو--γآلومینا، یک مخلوطی از 0.12 گرم نانو- -γآلومینا و 1(mL)
آب مقطر درون یک لوله سانتریفوژ با تعداد دور 1000rpm برای 2
دقیقه قرار میگیرد. آب اضافی در روی آلومینا حذف و وزن میشود.
محلول آبکی حاوی KF با غلظتهای متفاوت ( 30, 20, 15, 10
درصد وزنی) بر اساس آب جذب شده نانوـγـ آلومینا آماده می شود. 4.25 گرم نانوـγـ آلومینا درون فلاسک 250 میلیلیتری که درون یک ظرف آب نگهداری میشود، قرار میگیرد، سپس محلول KF به صورت قطرهای روی نانو--γآلومینا پمپ میشود (توسط پمپ حلقوی یا (Peristaltic نانوذرات اشباع شده با KF، در یک فر در 393oK برای 16 ساعت خشک شدهاند و به محض خشک شدن نانوذرات، در سه دمای متفاوت 873, 773, 673 درجه کلوین برای 3 ساعت آهکی (برشته) میشوند.
KF تیمار شده و نانوکریستالهای آهکی (برشته) شده با استفاده از تکنیکهای انکسار پرتو (XRD) X و اسکن کننده میکروسکوپی الکترون، طیف بینی پراکندگی انرژی (EDS) و تحلیل مساحت سطحی جذب گاز، BET، مشخص شدهاند.[15] بنابراین پارامترهای اصلی روش تهیه کاتالیست نسبت KF با نانو--γآلومینا و دمای آهکی (برشته) شدن است.
4-2 اصول و روش استری کردن انتقالی روغن گیاهی
ماده اولیه گلیسرید به عنوان ترکیب اصلی با متانول در حضور کاتالیست در واکنش استری کردن انتقالی میتواند اسید چرب متیل استر (FAME) و گلیسرول را تولید کند.
این واکنش در یک راکتور ناپیوسته ژاکت شده 250 میلیلیتری که با یک کندانسور برگشتی و یک همزن مغناطیسی تجهیز شده انجام می شود. راکتور ابتدا با 50 گرم روغن کانولا که با دمای واکنش گرم میشود، پر میشود در حالی که همزن در 600rpm است. زمانگیری واکنش به محض اینکه مخلوط متانول و کریستال به راکتور اضافه می شود، آغاز می شود.
تأثیرات دمای واکنش 338, 333, 318, 298) درجه کلوین)، نسبت مولی متانول به روغن (18:1-6:1)، نسبت وزنی کاتالیست به روغن (1-7wt%) و زمان واکنش روی تبدیل گلیسریدها به بیودیزل بررسی
می شود.
بر اساس مطالعات نازهات و همکارش [15] بعد از انجام واکنش
استری کردن انتقالی مخلوط در یک قیف جدا کننده برای 24 ساعت نگه داشته میشود تا خالص شود . بیودیزل و لایههای گلیسرول دانسیتههای متفاوت 0.86 و (gr/m3) 1.26 را ارائه میدهند، بنابراین به راحتی میتوانند از یکدیگر جدا شوند.
آنالیز شیمیایی نمونههای جمعآوری شده در طول دوره واکنش و پایان
واکنش توسط یک کروماتوگراف گاز (Agilent 6890) انجام
می شود. [16]
تعیین غلظت اسید چرب متیل استر (FAME) با توجه به استاندارد اروپا [14] EN14.03 انجام میشود.
– 3 نتایج و بحث
1 -3 خصوصیات کاتالیست
بر طبق مطالعات نازهات و همکارانش [15] قدرت پایه، حالت بنیادی (خاصیت بازی)، دمای آهکی (برشته) شدن و سطح BET و بازده محصول بیودیزل حاصل در جدول 1 گزارش شده است.
جدول -1 خواص فیزیکی و فعالیت کاتالیستی ترکیبات کاتالیستی
طبق این جدول ارزش سطح BET مربوط به نانوآلومینا نشان میدهد که تخلخل کوچکی در سطح و درون نانوذرات وجود دارد.
توزیع اندازه تخلخل مواد در مطالعه نازهات و همکارانش[15]در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -2 نتایج XRD ، nano- -Al2O3 و KF اشباع شده و نانو کاتالیست برشته شده
-Al2O3 :(a) -nano ، KF : (b) ، -Al2O3:(c) -KF(10%)/ nano ، -Al2O3 :(d) -KF(15%)/ nano ، -Al2O3 :(e) -nano KF(20%)/، -Al2O3 :(f) -KF(35%)/ nano
1-1-3 توصیف TEM
شکل 3 تصویر TEM نانوکاتالیست -Al2O3 جح در شرایط بهینه را نشان میدهد. این به وضوح نشان میدهد که ذرات کاتالیست به صورت کروی حدود 50nm هستند و توزیع اندازه ذرات به خوبی تناسب دارد.[16]
شکل -1 توزیع اندازه تخلخل نانوآلومینا و KF اشباع شده
استری کردن انتقالی روغن کاملاً با متانول در اتصال با کاتالیست پایه نانو--γآلومینا در 338oK برای 8 ساعت در یک نسبت مولی متانول به روغن (15:1) و 3wt% کاتالیست انجام میشود. [15,16] الگوهای XRD، نانوـγـ آلومینا با KF اشباع شده و کاتالیست آهکی (برشته) شده در شکل 2 نشان داده شده است.
