بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به پایان پذیر و آلاینده بودن سوخت هاي فسیلی ، بیودیزل می تواند به عنوان سوختی جایگزین و تجدید پذیر و مشخصه هاي آلایندگی بهتر استفاده شود. بیودیزل از تبادل استري بین یک مولکول روغن گیاهی و سه مولکول الکل در حضور یک کاتالیست حاصل می شود. در این تحقیق کاتالیست اکسید کلسیم به عنوان یک کاتالیست غیر همگن، که از منابع متفاوتی تهیه شده است در شرایط یکسان آزمایشی براي سنتز بیودیزل از روغن کانولا مورد ارزیابی قرار گرفت. درصد تبدیل بیودیزل استحصال شده با کاتالیستهاي تهیه شده از اکسید کلسیم خالص، نیترات کلسیم، کربنات کلسیم و آهک ساختمانی بترتیب عبارتند از : %50.8 ، %91.4 ، %89.8 و . %95.3 همچنین خالص سازي بیودیزل حاصل در مورد کاتالیستها بجز اکسید کلسیم خالص به آسانی انجام گرفت.
واژههاي کلیدي: بیودیزل ، تبادل استري ، روغن کانولا، اکسید کلسیم
-1 مقدمه
با افزایش جهانی مقدار CO2 هوا در سال هاي اخیر و پدیدة گرم شدن کرة زمین و با توجه به اینکه CO2 گازي گلخانه اي است، می باید از افزایش مقدار آن در هوا جلوگیري کرد. براي این منظور باید منابع اضافه کننده CO2 به هوا را بررسی کرد. بر اساس نمودار شکل 1 مشاهده می شود که تقریبا با شروع انقلاب صنعتی تولید CO2 افزایش یافته و این مقدار افزایش بیشتر مربوط به استفاده از سوخت هاي فسیلی می باشد.[1] با در نظر گرفتن اینکه سوخت هاي فسیلی چرخه کربن بسته ندارند باید از سوخت هاي جایگزینی استفاده کرد که چرخه کربن بسته دارند و به این ترتیب هیچگونه CO2 را به هوا اضافه نمی کنند. یکی ازاین سوخت ها بیودیزل است.
این سوخت حاصل فرآیند تبادل استري روغن گیاهی یا چربی حیوانی و یک الکل - معمولا متانول یا اتانول - در حضور کاتالیست است . Selahattin Umdu و همکارانش معتقدند 88% از انرژي مورد نیاز دنیا از منابع تجدید ناپذیر هیدروکربنی تأمین می گردد که به ازاي آن مقادیر زیادي از انواع گازهاي گلخانه اي وارد اتمسفر می گردد که با جایگزین شدن بخشی از آن با بیودیزل می توان تا حدي آن را کنترل کرد.[2] در جایی دیگر کاهش 45 درصدي گازهاي گلخانه اي براي این مورد گزارش شده است.[4,3] دفع کمتر , SOx, CO ذرات معلق , کاهش میزان CO2 تجمع یافته در جو و زیست تجزیه پذیري بالا از عواملی است که به کاهش آلودگی هاي زیست محیطی کمک می کند.[6,5] استخراج روغن از منابع گیاهی آسان است و محصولات جانبی استخراج بعنوان منابع غذایی سرشار حیوانی مطرح است. این روغنها داراي خواص نزدیک به دیزل فسیلی است و به دلیل مایع بودن نگهداري و حمل و نقل آن آسان است.[7] به دلیل نزدیک بودن خواص بیودیزل به دیزل فسیلی , بیودیزل می تواند مستقیماً بدون تغییر در سیستم هاي احتراق موجود به جاي دیزل فسیلی استفاده شود7]،.[6
بر اساس تعریف استاندارد آزمون و مواد آمریکا - ASTM - بیودیزل عبارتست از: ›› منوآلکیل استرهاي اسیدهاي چرب با زنجیرة بلند است که از مواد خام چرب تجدید پذیر مانند روغنهاي گیاهی یا چربی هاي حیوانی تهیه می گردد.‹‹ عبارت “Bio” نماد تجدید پذیري و منشأ زیستی آن و عبارت “Diesel” نماد شباهت آن به سوخت دیزل و کاربرد آن در موتورهاي دیزل است .[9-7] متانول به دلیل ارزانی و فراوانی معمولاً بیشتر مورد استفاده است. لذا عبارت ›› متیل استرهاي اسید چرب‹‹ یا “FAME” براي بیودیزل مصطلح می باشد. واکنش تبادل استري - Transesterification - واکنشی است که در آن یک استر سه تایی از اسید چرب با یک الکل - اغلب متانول - در حضور کاتالیست - قلیایی، اسیدي و یا آنزیمی - تبدیل به سه منو آلکیل استر جداگانه و یک مولکول گلیسرول می شود. عموماً بیو دیزل بر مبناي واکنش شماره 1 بدست می آید7]،. [8
واکنش تبادل استري توسط انواع کاتالیستهاي همگن و ناهمگن قلیایی, اسیدي و آنزیمها کاتالیز می گردد که به دلیل زمان و پیچیدگی انواع اسیدي و قلیایی بیشتر مورد توجه است. کاتالیستهاي قلیایی عملکرد بهتري نسبت به انواع اسیدها دارد. .[11,10,4] استفاده از فرآیندهاي هموژن دو یا چند مرحله اي موجب گستردگی فرآیند و هزینه بالاي تولید آن و وجود پسابهاي اسیدي و قلیایی مخاطره آمیز است. با جایگزین کردن کاتالیستهاي اسیدي جامد به جاي کاتالیستهاي هموژن فرآیندهاي متعدد جداسازي , پدیدة خوردگی و پسابهاي مخاطره آمیز حذف می گردند .[12,10,4] استفاده از کاتالیستهاي هموژن هزینه هاي عملیاتی بالا شامل هزینه هاي فرآوري پساب, خالص سازي محصولات و خنثی سازي کاتالیست را به دنبال دارد. در صورتی که کاتالیستهاي هتروژن براحتی در فرآیند قابل استفاده, بازیابی و استفادة مجدد است.
همچنین کاربرد و استفاده از کاتالیستهاي جامد مثلاً در راکتور بستر ثابت در فرآیندهاي پیوسته بسیار آسانتر است .[13,4] اکسید و هیدروکسید فلزات قلیایی خاکی, هیدروکسید و نمک فلزات قلیایی بر پایه گاما آلومینا, زئولیتها, هیدروتالسیتها و اسیدهاي جامد تاکنون مورد بررسی قرار گرفته اند و خبر از توانایی کمتر انواع هتروژن نسبت به قلیایی هموژن داده اند..[14] اما کاتالسیتهاي هتروژن حساسیت کمتري نسبت به FFA در مقایسه با کاتالیستهاي هموژن دارد.[15] کاتالیستهاي قلیایی هتروژن مثل CaO , MgO SrO , و ZnO در این خصوص داراي تبدیل بین 90 تا%95 گزارش شده اند. انواع فلزات قلیایی بر یک پایه مناسب نیز نوع دیگري از این کاتالیستها است. پتاسیم بر پایه انواع زئولیت و آلومینا نوع دیگري است که 85% تبدیل براي آن گزارش شده است.[3] اکسید کلسیم بعنوان فاز فعال براي کاتالیز تبادل استري روغنهاي گیاهی مطرح است. اکسید کلسیم را می توان از منابع مختلفی تهیه نمود. بنابراین در تحقیق حاضر CaO از منابع متفاوتی تهیه شده و فعالیت آن در تولید بیودیزل از روغن کانولا مورد ارزیابی قرار گرفت.
-2 مواد و روشها
-1-2 مواد
روغن تصفیه شده گیاهی کانولا - با نام تجاري اویلا - ، متانول - GR for analysis %99.9 ، - Merck ، نیترات کلسیم Extra Pure - ، - Merck ، اکسید کلسیم Extra Pure - ، - Merck ، کربنات کلسیم GR for analysis - ، - Merck و آهک ساختمانی - موجود در کارگاه ساختمانی دانشکده - در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است.
-2-2 روش تهیه کاتالیست ها:
براي تهیه کاتالیست از چهار منبع مختلف که عبارتند از اکسید کلسیم خالص، نیترات کلسیم ، کربنات کلسیم و آهک ساختمانی استفاده شد . براي این منظور اکسید کلسیم به مدت 4 ساعت در کوره با دماي 600°C قرار تحت گرمایش قرار گرفت و بصورت طبیعی تا دماي 150 °C خنک شد. این کاتالیست به نام CaO نامیده شد. کاتالیست دوم با استفاده از نیترات
