بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه استخراج روغن از دانه کلزا و واکنش تبادلاستری در یک مرحله مورد بررسی قرار گرفت. به همین منظور از استخراج کننده سوکسله برای تولید بیودیزل از دانه کلزا استفاده شد. این فرایند در دمای 75-80 درجه سانتیگراد، نسبت حجمی برابر از متانول و نرمال هگزان، %5 وزنی کاتالیست نسبت به روغن و مدت زمان 8 ساعت انجام شد. کاتالیست های CaO-ZnO و CaO-NiO برای انجام واکنش، به روش سل- ژل سنتز شدند که تشکیل فازهای کریستالی آنها از نتایج آنالیز XRD قابل مشاهده است.
درصد خلوص و میزان تبدیل در این شرایط برای کاتالیست CaO-ZnO، 100 و 60 درصد و برای CaO-NiO، 83 و 29 درصد به دست آمد. بنابراین می توان با بهینه کردن شرایط تهیه کاتالیست ها به میزان تولید بالاتری از بیودیزل دست یافت.
کلمات کلیدی: بیودیزل، کلزا، تبادلاستری همزمان، CaO-ZnO و CaO-NiO
مقدمه
انرژی یکی از نیازهای اساسی در زندگی روزمره ماست و نقش مهمی در بخش های صنعت، حمل و نقل و تولید نیرو ایفا میکند. سوخت های فسیلی که عمده نیاز بشر را به انرژی پاسخگو هستند، از منابع تجدید ناپذیر بوده و با افزایش جمعیت جهان و استفاده بیرویه از آن، رو به اتمام است. همچنین سوزاندن این سوخت ها موجب مشکلاتی میشود، از جمله: انتشار گازهای گلخانهای که باعث گرم شدن زمین و تاثیر نامطلوب بر روی سیستم های بومی در طولانی مدت میگردد و نیز ورود آلاینده هایی مانند اکسید نیتروژن و هیدروکربن های نسوخته به اتمسفر که برای سلامتی انسان مضر هستند. بنابراین تمایل به استفاده از سوخت های جایگزین با منابع بیولوژیکی افزایش یافته است.
یکی از جایگزین های بالقوه برای دیزل نفتی، بیودیزل است که در طبیعت تجدید پذیر است و از روغن های گیاهی، چربی های حیوانی و روغن های پخت و پز استفاده شده به دست میآید. بیودیزل نسبت به دیزل نفتی مزایایی دارد؛ از جمله، کاهش خطرات زیست محیطی، نقطه اشتعال بالاتر که باعث سهولت در ذخیره سازی میشود، عدد ستان بالا، قابلیت بالای زیست تخریبپذیری و کاهش انتشار هیدروکربن و مونوکسیدکربن، مواد معلق و گازهای گلخانهای که موجب سازگاری آن با محیط زیست میشود؛ لازم به ذکر است که میزان سولفور منتشر شده از احتراق بیودیزل تقریبا صفر است. این در حالی است که نشر گازهای NOx حدود %10 افزایش مییابد که این مشکل را میتوان با اختلاط آن با دیزل در نسبت های مختلف حل کرد.
سه فرایند اصلی تولید بیودیزل، پیرولیز، میکروامولسیون و تبادلاستری1 هستند که با انجام این فرایندها سوختی به دست میآید که خواص آن بسیار مشابه دیزل است و میتوان آن را در موتورهای دیزلی به کار برد.استخراج با حلال، فرایندی است که در آن از مواد حاوی روغن به وسیله یک حلال با نقطه جوش پایین برای بیرون کشیدن روغن استفاده میشود. این روش تقریبا تمام روغن را بیرون کشیده و تنها 0/5-0/7 درصد از کل روغن در ماده اولیه باقی میماند. متغیرهایی مانند اندازه ذرات ماده اولیه، نوع حلال، دما و شدت اختلاط بر سرعت استخراج تاثیرگذار است.
از ذرات ریزتر به دلیل افزایش سطح تماس میان ذرات و حلال، استخراج بهتر انجام میشود؛ حلال باید غیرسمی، فرار، ارزان و نسبتا قطبی بوده و اشتعال پذیری پایینی داشته باشد؛ نرمال هگزان، اتانول، ایزوپروپانول، استون و ایزوهگزان نمونه هایی از حلال های استفاده شده برای استخراج روغن هستند. با افزایش دما و شدت اختلاط، سرعت استخراج روغن افزایش مییابد. حدود %60-80 از هزینه تولید بیودیزل مربوط به هزینه خوراک آن است.
انواع دانه های روغنی گیاهی خوراکی و غیر خوراکی، جلبک، انواع چربی های حیوانی و پساب های چرب از منابع موجود در تولید بیودیزل هستند. سوخت بیودیزل حاصل از روغن های گیاهی خالص در مقایسه با سوخت دیزل نفتی گران بوده و منجر به افزایش قیمت روغن های گیاهی میشود، اما بیودیزلی با کیفیت بالا تولید میشود. رایج ترین روش برای تولید بیودیزل، تبادلاستری روغن های گیاهی و چربی های حیوانی با یک الکل ساده - زنجیره کربنی کوتاه - در حضور یک کاتالیزور مانند اسید، قلیا یا آنزیم میباشد.
کاتالیست های واکنش تبادلاستری به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم میشود. اغلب در صنعت تولید بیودیزل، کاتالیستهای همگن استفاده میشوند؛ زیرا واکنش تبادلاستری در زمان کوتاهتر و شرایط عملیاتی نسبتا متوسط - دما و فشار پایین - انجام میشود اما معایبی هم دارند؛ از جمله: قابلیت استفاده مجدد یا احیا ندارند، جداسازی آنها از محصولات واکنش به دلیل انحلالپذیری آسان در الکل مشکل بوده و مقادیر زیادی پساب تولید میشود.
برای غلبه بر مشکلات ناشی از کاتالیست های همگن، استفاده از کاتالیست های ناهمگن - جامد - مورد توجه قرارگرفته است. کاتالیست های جامد سازگار با محیط زیست هستند، میتوانند در فرایندهای پیوسته استفاده شوند و با احیا یا بدون احیا قابلیت استفاده مجدد دارند. از آنجایی که فرایندهای کاتالیستی ناهمگن به شستشو نیاز ندارند، خالص سازی محصولات ساده میشود، بازده استری خیلی بالایی نزدیک به مقادیر تئوری به دست میآید و گلیسرول با خلوص بالا به عنوان محصول جانبی به دست میآید. یکی از مشکلات اصلی کاتالیست های ناهمگن، غیر فعال شدن آنها با زمان به دلیل پدیده های احتمالی مانند مسمومیت و استخراج کاتالیست در محیط واکنش است.
اکسید فلزات قلیایی خاکی، مخلوط این اکسیدها، هیدروتالسیت ها و نمک فلزات قلیایی روی پایه های مناسب مانند آلومینا گروهی از کاتالیست های ناهمگن هستند که اخیرا بسیار مورد مطالعه قرار گرفته و فعالیت بالایی از خود نشان دادهاند. در میان کاتالیست های ناهمگن، کلسیم اکسید به عنوان یکی از کارآمدترین کاتالیست ها در زمینه تولید بیودیزل شناخته شده است. CaO در دسترس، سازگار با محیطزیست، ارزان قیمت و غیرسمی است و انحلال پذیری کمی در متانول دارد.
فعالیت کاتالیستی CaO به وسیله نشاندن آن بر روی پایه های مختلف مانند آلومینا، سیلیس، با داپکردن فلزات قلیایی بر روی آن مانند و یا با اختلاط آن با اکسیدهای فلزی دیگر مانند ZnO و NiO افزایش مییابد. کسیک و همکارانش با استفاده از کاتالیست CaO-ZnO واکنش تبادل استری روغن آفتابگردان را در دمای 60℃، نسبت مولی متانول به روغن 10:1، غلظت %2 وزنی کاتالیست و مدت 4 ساعت بررسی کرده و به بازده %90 برای تولید بیودیزل رسیدند.
تولید بیودیزل از روغن جاتروفا را با استفاده از کاتالیست CaO-NiO که به روش همرسوبی تهیه شده است، بررسی نمودند. این کاتالیست فعالیت بالا و قابلیت استفاده مجدد خوبی حتی تا 6 بار از خود نشان داد. در شرایط بهینه واکنش شامل دمای 65℃ ، نسبت مولی متانول به روغن 15:1، غلظت %5 وزنی کاتالیست و مدت 6 ساعت، بازده متیل استر تولیدی بیش از %80 گزارش شد. با توجه به اینکه تبادلاستری کاتالیستی ناهمگن شامل سه فاز - کاتالیست روغن حلال - است، سرعت واکنش برای انتقال جرم در میان فازها بسیارکند است؛ برای حل این مشکل، میتوان از حلال کمکی مانند تتراهیدروفوران، دی متیل سولفوکسید و نرمال هگزان برای شتاب بخشیدن به سرعت واکنش استفاده کرد که مصرف مقدار انرژی، مواد و هزینه تولید بیودیزل را کاهش میدهد.
بنابراین در این بررسی استخراج روغن از دانه کلزا و واکنش تبادلاستری را برای تولید بیودیزل به طور همزمان و با استفاده از مخلوط اکسید کلسیم و برخی از فلزات واسطه مانند Zn و Ni انجام میدهیم که تولید بیودیزل را آسان نموده و هزینه آن را کاهش میدهد.
مواد
در این مطالعه از دانه روغنی کلزا - سازمان جهاد کشاورزی شهرستان کرمانشاه - ، متانول به عنوان حلال اصلی - پارس شیمی - ، نرمال هگزان به عنوان کمک حلال - دکتر مجللی - برای واکنش تبادلاستری استفاده شده است. آب مقطر، اسید سیتریک بیآب، اتیلنگلیکول، نیترات کلسیم چهارآبه، نیترات نیکل شش آبه، نیترات روی شش آبه %99 - ، شرکت مرک آلمان - برای آماده سازی کاتالیست ها به روش سلژل و متیل لائورات - شرکت سیگما آلدریچ آمریکا - به عنوان ماده استاندارد برای استفاده در ستون کروماتوگرافی گازی4 در این مطالعه به کار گرفته شده است.
