بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، اکسید مختلط فلزی آلومینیوم- منیزیم حاوی جزء فعال کلسیم به دو شیوه - همرسوبی و تلقیح مرطوب - تهیه و به عنوان کاتالی ست در فرآیند ترانسا ستری شدن روغن پ سماند خوراکی ا ستفاده شد. هر دو ماده سنتزی به کمک پراش اشعه ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، طیفسنجی اشعه ایکس تفرق انرژی - EDS - و تعیین م ساحت سطح و اندازه حفرات به کمک جذب و واجذب فیزیکی - BET - N2 شنا سایی شدند. ترکیبات اک سیدی حا صل به عنوان کاتالیست در ترانساستری شدن روغن پسماند مصرف شده در پخت و پز به منظور تولید بیودیزل به کار گرفته شدند. کارآیی این ترکیبات در تولید بیودیزل به شیوه کروماتوگرافی گازی - GC - مورد بررسی قرار گرفت. همچنین میزان شستشو و اتلاف اجزای فعال به شیوه EDS بررسی شد. کاتالیست تهیه شده به شیوه تلقیح مرطوب، فعالیت بهتر و میزان اتلاف اجزای فعال کمتری را نشان داد.
کلمات کلیدی: کاتالیست غیرهمگن، اکسید مختلط، روغن پسماند خوراکی، بیودیزل.
.1 مقدمه
با افزایش نشر گازهای گلخانهای، آلودگیهای زیستمحیطی و ترس از پایانپذیرفتن ذخایر نفت و گاز طبیعی، مسألهی یافتن جایگزین برای سوختهای فسیلی اهمیت بیشتری پیدا کرده است.[1] بیودیزل به علت تجدیدپذیر و غیرسمی بودن و همچنین زی ستتخریبپذیری؛ بهعنوان جایگزین یا مکمل جالبتوجه برای سوختها شناخته می شود. بهعلاوه در ساختار مولکولی آن 11-%15 اکسیژن وجود دارد که سرعت احتراق را در موتورهای سوختی همفشار افزایش میدهد .[4-2] بیودیزل به مخلوطی از متیل یا اتیل استرهای اسیدهای چرب اطلاق می شود که از ترانساستری شدنٌ تریگلیسیریدهای موجود در روغنهای گیاهی یا جانوری طی واکنش با الکل در حضور کاتالیست متاسب حاصل میگردد .[8-5]
خوراکهای گوناگونی از جمله روغن خوراکی یا غیرخوراکی، تازه یا پسماند به عنوان ماده اولیه در تهیه بودیزل قابل استفاده میباشند .[9] واکنش ترانساستریشدن با استفاده از کاتالیستهای همگن یا غیرهمگن اسیدی یابازی انجام میشود. کاتالیستهای همگن به علت سهولت در جداسازی و امکان استفاده مجدد مطلوبتر هستند .[10] کلسیماکسید نمونهای از کاتالیستهای مؤثر در واکنش ترانساستریشدن است که با دارا بودن قیمت پایین و کارآیی خوب آن در دمای پایین در تهیه بیودیزل مورد ا ستفاده قرار میگیرد 11]،.[12 هرچند CaO کاتالی ستی با کارآیی بالا ست اما این نوع از کاتالی ست، اتلاف بالایی را در اثر شستشوی اجزای فعال آن طی واکنش نشان میدهد .[12] بنابراین CaOی باقیمانده در مخلوط واکنش نیاز به جداسازی از محصول بیودیزل دارد .[13]
در بررسیهای اخیر، محققان تلاش کردهاند این مشکل ذاتی شستشوی اجزای فعال را رفع کرده و در کنار آن فعالیتکاتالیستی را بهبود بخشند. برای دستیابی به این اهداف، کاتالیستهای اکسید مختلط فلزی سنتز و بررسی شده اند. اک شیدهای مختلط برپایه Ca به دلیل قیمت پایین و قدرت بازی بالا مورد توجه بودهاند .[14] پتر سونٌ و ا سکاراچٍ ن شان دادهاند که کاتالیست اکسیدمختلط CaO.MgO بازدهی تولید متیلاسترهای اسید چرب را بهبود میبخشد .[15] در برر سی دیگری بر روی اگ سید مختلط Ca/MgAl که در آن کل سیم بر روی یک حامل قرار میگیرد، فعالیت کاتالی ستی بهتر با میزان شستشوی اجزای فعال کمتر گزارش شده است .[16]
دینشَ و امجدُ بهبود قابل توجهی را در بازدهی متیلاستر اسید چرب و اتلاف اندک کاتالیست Zn-CaO طی واکنش روی خوراک کم کیفیت مشاهده کردهاند .[17]کاتالیستهای منیزیماکسید نیز به عنوان کاتالیست در برای واکنش ترانساستریشدن استفاده شده است. این نوع از کاتالیستها مکانهای فعال با قدرت بازی اندک دارند، اما الحاق مقادیر اندک از کاتیونهای Al3+ به MgO، محلهای فعال جدید شامل زوج ا سید- باز لوئیس می سازد .[18] لیوِ و همکارانش هم هیدروتال سیتّ Mg-Al کل سینه شده را در ترنسا ستری کردن تریگلی سیریدها ا ستفاده کردهاند. آنها ن شان دادهاند که کل سینه کردن در دمای بهینه بر روی فعالیت کاتالیستی اثر میگذارد .[19]
مطالعه دیگری توسط زیْ و همکارانش بر روی هیدروتالسیت - Mg/Al = 3.0 - Mg-Al انجام دادهاند که در آن کاتالی ست نهایی از کل سینه کردن در دمای 773 K حا صل شده و قدرت بازی بالایی را ن شان داده است .[20]کاتالیستهای اکسید مختلط روی و آلومینیوم نیز در واکنش ترانساستری شدن مورد مطالعه قرار گرفته و تبدیل نسبتاً بالایی را ن شان دادهاند . - 98.3% - مح صول بیودیزل این واکنش، کیفیت بالایی را ن شان داده اما دما و ف شار بالایی درطول واکنش مورد نیاز بوده ا ست .[21] خوزه فریلَ و همکارانش کاتالی ست اک سید مختلط Mg/Zn/Al به عنوان نمونه ای از انواع اک سید مختلط M - II - /M - III - در ترانسا ستری شدن متیل پالمیتات با ایزوبوتانول مورد برر سی قرار دادهاند. طبق گزارش آنها، حضور یونهای قلیایی اضافه، منبع اصلی افزایش قدرت بازی کاتالیستهاست .[22]
هدف از پژوهش زیر، حل م شکل ش ست شو و اتلاف اجزای فعال در اک سیدهای مختلط MgAl حاوی Ca، بدون کاهش قدرت بازی آن ا ست. برای د ستیابی به این هدف، دو نانو ساختار از این اک سیدهای مختلط، تهیه شده و فعالیت کاتالی ستی و میزان اتلاف اجزای فعال آنها در طول واکنش با یکدیگر مقای سه شد. این ترکیبات به دو شیوه سادهو تقریباً کمهزینه سنتز شده و به شیوههای پراش ا شعه ایکس - XRD - ، میکرو سکوپ الکترونی روب شی - طیف سنجی ا شعه ایکس تفرق انرژی - SEM-EDS - و اندازهگیری م ساحت سطح به شیوه BET انجام شد. واکنش برای هردو ترکیب تحت ظرایط یک سان انجام شد و خوراک روغن پسماند خوراکی به کار گرفته شد.
.2 بخش تجربی
.1.2 مواد و روشهای سنتز
برای انجام سنتز به شیوه همرسوبی، محلولی از سدیمکربنات 99.8% - ، مرک - و سود 99.7% - ، مرک - یا غلظت کلی 1.75 mol/L در 100 ml آب دیونیزه تهیه شد - محلول . - 1 محلول دیگری از انحلال Ca - NO3 - 2.4H2O، Mg - NO3 - 2.6H2O و Al - NO3 - 3.9H2O - تمام نمکها با درجه سنتزی، مرک - ب نسبت Ca: Mg: Al = 1: 1: 1 و غلظت کلی 1 mol/L در 100 ml آب دیونیزه تهیه شد - محلول . - 2 محلول 1 به آرامی تحت هم زدن شدید در محدوده pH = 8 -10 به محلول 2 اضافه شد. سپس مخلوط به مدت 24 در دمای 60˚C قرار داده شد تا ترسیب کامل گردد. رسوب سفیدرنگ حاصل را صاف کرده و تا رسیدن به pH خنثی شستشو دادیم. ترکیب در آون تحت دمای 100˚C به مدت 12 ساعت خ شک و سپس در دمای 850˚C به مدت 5 ساعت کل سینه شد.
در نهایت، 4.35 g مح صول به دست آمد. این اکسیدمختلط هم رسوبی شده را CaMgAl - O - نامگذاری کردیم.کاتالیست دیگری طی دو مرحله با استفاده از همرسوبی و به دنبال آن تلقیح مرطوب تهیه شد. ابتدا هیدروتالسیت MgAl به شیوه همر سوبی با ا ستفاده از محلول Mg - NO3 - .6H2O و Al - NO3 - .9H2O - با ن سبت - Mg: Al = 1:1 تهیه شد. محلول دیگری شامل سدیم کربنات و سود به آرامی به محلول پیشین اضافه شد تا رسوب حاصل گردد. این فرآیند در pH ثابت اسیدی و تحت هم زدن شدید انجام شد. مخلوط حاصل در دمای 65˚C به مدت 18 ساعت قرار گرفت، سپس صاف شده و شستشو داده شد. ج
امد حاصل در 80˚C خشک شد و با عنوان MgAl HT نامگذاری شد. در مرحله دوم سنتز، مخلوطی از 2.1g از MgAl HT سنتزشده و 0.84 g نمک - 40 wt% - Ca - NO3 - .4H2O تهیه شد تا فرآیند تلقیح انجام گیرد. مخلوط تهیه شده به دستگاه تبخیر کننده چرخان - هایدولف، مدل - Laborota 4003 منتقل شد. عملیات تلقیح به مدت 150 دقیقه در 75˚C و فشار 400 mbar با نرخ چرخش 400 rpm انجام شد. سپس جامد مرطوب حا صل در 90˚C خ شک و در 600˚C به مدت 30 دقیقه - 10 ˚C/min - کل سینه شد. مح صول با عنوان Ca/MgAl نامگذاری شد.
.2.2 واکنش ترانساستری شدن روغن پسماند اکسیدهای مختلط سنتز شده به عنوان کاتالیستهایی در واکنش ترانساستری شدن روغن پسماند خوراکی مورد استفاده قرارگرفتند. روغن پسماند خوراکی از فروشگاه شیرینی "نان تهران" تهیه و صاف و پیش از واکنش، عملآوری شد. واکنش ترانسا ستری شدم با ا ستفاده از 10 g از روغن پ سماند، 0.3 g از یکی از کاتالی ستهای سنتز شده و 3.27 g متانول 99.5% - ، مرک - با نسبت متانول به روغن 9:1 انجام شد. مخلوط واکنش تحت رفلاکس در دمای 65˚C به مدت 3 ساعت به همراه هم زدن قرار گرفت. محصولات نهایی سانتریفیوژ شدند و برای بررسی با کروماتوگرافی گازی آماده شدند.
.3.2 اندازهگیری و شناسایی
قدرت بازی کاتالی ستهای سنتز شده با ا ستفاده از روش گزارش شده تو سط فریل و همکارانش تعیین شد .[22] ساختاراک سیدهای مختلط فلزی و انداز ه کری ستالیتهای ترکیبات سنتز شده به و سیله پراش ا شعه ایکس - XRD - با دستگاه پراشسنج JDX-8030 تجهیزشده با تابش Cu-K با اندازه گام 0.02˚ در دمای اتاق انجام گرفت. مورفولوژی و ریزساختار ترکیبات سنتز شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و یا نوع نشرمیدانی - FE-SEM - انجام شد. به علاوه دادههای ا شعه ایکس تفرق انرژی - EDS - برای تعیین ترکیب سطحی کاتالی ست به کار گرفته شد. شیوه EDS
