بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق ابتدا نانو کاتالیست Ce-Ba/CaO به روش تلقیح مرطوب تهیه شد. در مرحله بعد این نانوکاتالیست برای تولید بیودیزل در واکنش تبادل استری مورد استفاده قرار گرفت. متغیرهای مختلفی مانند دمای کلسینه کردن کاتالیست، زمان کلسینه کردن و درصد وزنی فاز فعال به پایه بر عملکرد کاتالیست در واکنش تبادل استری تاثیر می گذارند. به منظور دستیابی به حداکثر مقدار تولید بیودیزل این متغیرها را بهینه کردیم که در پایان مرحله بهینه سازی بازده تولید بیودیزل به 95,23 % رسید.
نتایج نشان داد که بیشترین بازده مربوط به دمای کلسینه کردن 750 C، زمان کلسینه کردن 2 ساعت و درصد وزنی فاز فعال به پایه % 40 میباشد. واکنش تبادل استری در شرایط عملیاتی - دمای واکنش 65˚C، زمان واکنش 4 ساعت و نسبت مولی متانول به روغن - 15:1 انجام شد و ویژگیهای فیزیکی بیودیزل مانند ضریب شکست و ویسکوزیته بررسی شد. در پایان ساختار نانو کاتالیستهای تهیه شده، توسط تکنیکهایی مانند XRD و FT-IR مطالعه شد .
کلمات کلیدی نانوکاتالیست، بیودیزل، تبادل استری، روش تلقیح
مقدمه
در دهههای اخیر به دلیل محدودیت وکاهش منابع سوخت-های فسیلی و مسائل زیست محیطی و اهمیت روزافزون نقش انرژی، تحقیقات گستردهای در راستای تامین منابع مناسب از سوختهای جایگزین در کشورهای جهان انجام گرفته است. امروزه استفاده از سوختهای جایگزین یکی از اصلیترین راهکارها به منظور کاهش تبعات ناشی از استفاده از سوختهای فسیلی میباشد. سوختهای جایگزین انواع مختلفی دارند که بسته به امکانات و شرایط خاص هر کشور که زیر ساختهای لازم را برای تهیه این سوختها فراهم میکند، میتوان از انواع مختلف این سوختها استفاده کرد.
البته استفاده از این سوختها معایبی هم دارد که بحث هزینههای اقتصادی مهمترین آنها میباشد. سوختهای جایگزین به موادی اطلاق می شود که دارای ویژگیهای مشابه با سوختهای فسیلی بوده و میتواند به طور موثر جایگزین سوختهای فسیلی شود. سوخت جایگزین باید از لحاظ فنی امکان پذیر، از لحاظ اقتصادی رقابتی، از لحاظ زیستمحیطی قابلقبول و دارای سهولت دسترسی باشد. به طور کلی سه دلیل اساسی روی آوری به سوختهای جایگزین عبارتند از-1 تمام شدن سوختهای فسیلی به ویژه نفت خام -2 عدم وابستگی به سوختهای فسیلی -3 آلودگی محیط زیست که دو پدیده گرمایش جهانی و افزایش گازهای گلخانهای را در پی دارد.
در حالت کلی سوختهای جایگزین مهم را میتوان به این صورت بیان کرد-1 هیدروژن -2 بیودیزل -3 بیواتانول4 - بیومتانول -5 بیوگاز -6 گاز طبیعی و -7 الکتریسیته به دست آمده از انرژیهای تجدیدپذیر. یکی از این سوختهای جایگزین، سوختهای زیستی هستند که به آن دسته از سوختها اطلاق میشود که انرژی آنها از تثبیت بیولوژیکی کربن حاصل گردیده و شامل سوختهای مشتق شده از زیستتوده ها از قبیل زیست توده های جامد، سوختهای مایع و زیستگازهای مختلف می باشد.
بیودیزل نیز یکی از سوختهای زیستی است که پس میباشد که منجر به تولیدآلکیل استرهای اسید چرب وگلیسیرین میشود. مهم ترین مزیت این سوختها در مقایسه با سوختهای معمول دیزلی بالا بودن عدد ستان و نقطه اشتعال، حمل و نقل آسانتر، ذخیره سازی ایمن، قابلیت آنها در کاهش آلودگیها بواسطه عدم وجود سولفور و مقدار کمتر هیدروکربن های نسوخته میباشد . دفع کمتر CO، SO[، کاهش میزان CO2 تجمع یافته در جو و زیست تجزیه پذیری بالا از عواملی است که به کاهش آلودگی های زیست محیطی کمک میکند.
مشخصات استانداردی که محصول سوختی حاصل از واکنش الکل با تریگلیسیرید - واکنش تبادل استری یا الکلی شدن - بایستی دارا باشد تا به عنوان بیودیزل شناخته شود ، مشابه سوخت های دیزلی ارزیابی شده و بر این اساس مشخص گردیده که بیودیزل قابلیت استفاده در موتورهای دیزل را دارا بوده و برای این منظور موتورهای مذکور نیازمند اصلاحات بسیار اندکی هستند. یکی از مهمترین روشهای تولید بیودیزل واکنش تبادل استری در حضور کاتالیستهای اسیدی و بازی است.
در این پروژه از کاتالیست هتروژن بازی استفاده کرده ایم که از ویژگیهای بسیار مهم آن میتوان به فعالیت بالاتر نسبت به کاتالیستهای اسیدی، غیر خورنده بودن، جداسازی آسان از فاز واکنش و قابلیت استفاده مجدد در چرخه تولید، اشاره کرد. با توجه به نقش بسیار مهمی که هزینههای اقتصادی در تولید بیودیزل دارند استفاده از کاتالیست بازی یا عملکرد مطلوب در این پروژه سرعت انجام فرایند را بسیار بالاتر برده و موجب کاهش انرژی مصرفی در مراحل مختلف میشود. کاتالیست استفاده شده در این مطالعه براحتی از محصولات جدا میشود و قابلیت استفاده دوباره دارد. مجموعه این عوامل موجب کاهش هزینه-های تولید بیودیزل میشود.
مواد و روشها
از سالها تلاش محققان و دانشمندان به عنوان سوختی مناسب جهت کاربرد در موتورهای دیزلی و همچنین سایر منابع تولید انرژی که از سوخت دیزل استفاده میکنند معرفی شده است.بیودیزل عبارت است ازمخلوط استرهای مونوآلکیلی زنجیره بلند اسیدهای چرب حاصل از واکنش الکل با روغن. تهیه بیودیزل شامل واکنش تریگلیسرید با الکل توسط فرایند تبادل استری موادی که در این پروژه تحقیقاتی استفاده شده شامل سریم نیترات 6 آبه، باریم نیترات 6 آبه، کلسیم اکسید، متانول - 99/95 - ، اتیل استات میباشد که همگی از شرکت آلمان خریداری شدهاند. همچنین روغن افتابگردان که از شرکت نازگل در کرمانشاه خریداری شد.
برای ساخت نانوکاتالیست به روش تلقیح مرطوب در ابتدا پایه را که در اینجا کلسیم اکسید میباشد در دمای به مدت یک ساعت در کوره الکتریکی قرار می دهیم تا رطوبت و ناخالصیهای آن از بین برود و برای تلقیح فاز فعال آماده گردد. در مرحله بعد بسته به درصد فاز فعال بارگذاری شونده نسبت به پایه، مقدار مورد نیاز از نمک های سریم نیترات 6 آبه و باریم نیترات 6 آبه را به دقت وزن میکنیم.
در یک بشر کاملا تمیز مقدار مناسب از آب را که بستگی به مقدار واکنش دهندهها دارد اضافه میکنیم سپس نمکهای فلزی توزین شده را به آن اضافه میکنیم پس از آن که نمکهای فلزی کاملا در آب حل شدند مقدار مناسب از پایه را که قبلا اندازه گیری شده به محلول اضافه میکنیم پس از آنکه محلول به حالت یکنواختی در آمد در بشر را محکم بسته و اجازه میدهیم محلول به مدت 24 ساعت در دمای محیط بههم بخورد. پس از این مرحله محلول را صاف کرده و در آون در دمای 85 درجه سانتیگراد به مدت 18 ساعت قرار میدهیم تا عمل خشکشدن انجام گیرد.
در این مرحله ما با گونهای تحت عنوان پیشساز کاتالیست سروکار داریم که در مرحله پایانی فرایند تهیه باید در دما و زمان مناسب کلسینه شود. اهداف کلسینه کردن در فصل های قبل گفته شده اما مهمترین هدف کلسینه کردن تشکیل فازهای کریستالی مناسب میباشد که در واکنش تبادل استری فعال باشند.
تولید بیودیزل
تولید بیودیزل با استفاده از واکنش تبادل استری انجام میگیرد. برای این منظور ابتدا مقدار مناسب از کاتالیست را - که بر اساس نسبت وزنی کاتالیست به روغن تعیین میشود - و نیز مقدار مناسب از متانول - که بر اساس نسبت مولی متانول به روغن تعیین میشود - را به همراه یک همزن مغناطیسی درون یک بالن 250 سی سی ریخته و به مدت 5 دقیقه با دور 700 - دور بر دقیقه - به رفلاکس میگذاریم. سپس روغن را اضافه به این مخلوط اضافه میکنیم و تعداد دورها را به 500 میرسانیم و اجازه میدهیم واکنش انجام شود. شرایط انجام واکنش شامل دمای واکنش 65˚C، زمان واکنش 4 ساعت، درصد وزنی کاتالیست به روغن 4 و نسبت مولی متانول به روغن میباشد.
در انتها بیودیزل جداسازی میشود و ویژگیهای فیزیکی آن مانند ضریب شکست و ویسکوزیته توسط دستگاههای رفراکتومتر و ویسکومتر استوالد اندازهگیری میشود. ویسکوزیته و ضریب شکست بیودیزل نسبت به روغن اولیه کمتر میباشد و با استفاده از این ویژگیها میتوان درصد تبدیل را محاسبه نمود. واحد اندازهگیری ویسکوزیته سانتیپواز است.
بررسی اثر دررصد وزنی فاز فعال به پایه
برای بررسی این موضوع درصدهای وزنی مختلف از فاز فعال - سریم باریم - را روی پایه - کلسیم اکسید - بارگذاری کردیم که این درصدها به ترتیب شامل 10% ، 20% ، %30 ، %40 و 50% میباشند. شرایط آمادهسازی و سپس استفاده از هر کدام از این کاتالیستها در واکنش تبادل استری یکسان میباشد که این شرایط شامل دمای واکنش65 ˚&، زمان واکنش 4ساعت، نسبت مولی الکل به روغن 15، درصد وزنی کاتالیست به روغن 6% و دمای کلسینه کردن و زمان کلسینه کردن 3 ساعت است.
نتایج ارایهشده در بالا نشان میدهد که با افزایش درصد فاز فعال، میزان راندمان هم افزایش مییابد که دو علت میتوان برای این روند بیان داشت: دلیل اول این است که وقتی از کاتالیستهای دو فلزی با پایه استفاده میکنیم یک عامل بسیار مهم در میزان فعالیت این کاتالیستها قدرت بازی کاتالیست میباشد، هنگامی که این اکسیدهای فلزی در کنار هم قرار میگیرند به دلیل برهم-کنشهای بین فلزات فاز فعال با همدیگر و همچنین بر همکنش گونههای فاز فعال با پایه، قدرت بازی نسبت به حالت خالص هرکدام از این اکسیدهای فلزی متفاوت است که این تفاوت می تواند در جهت تقویت یا تضعیف خاصیت بازی میباشد.
