بخشی از مقاله
چکیده
افزایش قیمت نفت از یک سو و مسائل زیست محیطی مانند آلودگی هوا و گرم شدن کره ی زمین از سویی دیگر استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و سوختهای زیستی را بیش از بیش توجیه پذیر کرده است. از جمله سوختهای زیستی میتوان به بیودیزل اشاره کرد. معمولترین روش تولید بیودیزل استفاده از فرایند ترانساستریفیکاسیون بوده که بدلیل ناهمگن بودنوعدم اختلاط روغن و الکل، سرعت واکنش شیمیایی پایین بوده و کامل نمیباشد. در این تحقیق ترکیب اثرامواج فراصوت و ریزموج به منظور سرعت بخشی به واکنش ترانس استریفیکاسیون روغن کرچک مورد بررسی قرار گرفت. پارامترهای مورد بررسی شامل توان فراصوت، زمان همزنی فراصوت، توان ریزموج و زمان تابش ریزموج بودند.
روش سطح پاسخ - CCD - به منظور یافتن شرایط بهینه برای واکنش استفاده شد. روش سطح پاسخ شرایط بهینه را بر اساس حداکثر تولید متیل استر تولیدی در توان ریزموج 500 وات، توان فراصوت 80، زمان تابش ریزموج 126 و زمان همزنی فراصوت 240 ثانیه بیان کرده ودرصد تبدیل بدست آمده در این شرایط را 94/78 درصد پیشبینی کرد. نتایج نشان داد که ترکیب اثر امواج فراصوت و ریزموج بر واکنش ترانس استریفیکاسیون روغن کرچک اثر معنی دار داشته و سرعت واکنش را نسبت به روش مرسوم 10برابر افزایش می دهد.
کلمات کلیدی: بیودیزل، روغن کرچک، فراصوت، ریزموج، روش سطح پاسخ.
مقدمه
تولید سوختهای زیستی از منابع تجدیدپذیر نه یک انتخاب بلکه ضرورتی فراروی بشر امروزی است. دورنگری نسبت به افزایش قیمت محصولات نفتی و کاهش ذخایر موجود و نیز مسائل زیست محیطی و آلایندگی ناشی از کاربرد این سوختها ، محققان را برای یافتن منابع جدید انرژی ترغیب نموده است.[1,23] استفاده از انرژیهای پاک، تجدیدپذیر و پایداری همچون انرژی زیست توده مانند بیودیزل یکی از مناسبترین و مطمئنترین راههای تامین پایدار انرژی مورد نیاز بشر میباشد .[4,12,27] دانههای روغنی به عنوان مهمترین ماده اولیه تولید بیودیزل به شمار میروند. دانه روغنی کرچک به دلیل مصرف عمده غیرخوراکی و دارا بودن درصد روغن 46 تا 55 درصد به عنوان یکی از منابع تولید بیودیزل مورد توجه قرار گرفته است.[18,21]
معمولترین روش تولید بیودیزل استفاده از فرایند ترانساستریفیکاسیون میباشد. در این روش دو فاز نامحلول تریگلیسریدها و الکل، در حضور یک کاتالیزور بازی یا اسیدی، پس از مدت طولانی واکنش میدهند که نتیجهی آن تولیدگلیسرین و آلکیل استرها است .[4] این واکنش، اغلب کند بوده و به منظور سرعت بخشیدن به آن باید با روشهایی مانند بهم زدن، سطح تماس بین دو فاز نامحلول را افزایش داد. ترانساستریفیکاسیون واکنشی است که در انتقال جرم دچار محدودیت بوده و سرعت واکنش به سطح مشترک بین الکل و روغن بستگی دارد. بنابراین نیاز به روشهایی که بتوانند سرعت تولید بیودیزل را افزایش دهند نیاز به تحقیقات گسترده ای دارد تا بتوان زمان واکنش را کاهش داده و در نتیجه هزینه تولید سوخت کاهش یابد.
امروزه استفاده از روش فراصوت و ریزموج بطور گسترده ای جهت تولید بیودیزل مورد توجه محققان قرار گرفته است.[5,15]ترانساستریفیکاسیون به کمک فراصوت از جمله روش های جدید برای تولید بیودیزل میباشد که استفاده از آن در تولید نیمه صنعتی بیودیزل علاوه بر تسریع در انجام واکنش، باعث کاهش قیمت تمام شده بیودیزل شده و رقابتپذیری این نوع سوخت جایگزین با سوخت دیزل را بالا میبرد .[9] تحقیقات انجام شده نشان داد که استفاده از فراصوت به طور مؤثری مقدار کاتالیزور مورد نیاز را کاهش داده [6,24]، از صابونی شدن واکنش جلوگیری نموده [22] و به طور چشمگیری زمان واکنش را از 2 ساعت به 30 دقیقه کاهش میدهد.[10,25]
در تحقیقات دیگری که در زمینه شدت بخشی واکنش ترانس استریفیکاسیون صورت گرفته به بررسی اثر ریزموج بر این واکنش پرداخته شده است. در این موارد به بررسی فاکتورهای واکنش تبدیل تری گلیسرید به متیل استرهای اسید چرب به کمک روش ریزموج پرداخته شد. نتایج نشان داد روش ریزموج، زمان واکنش را به طور قابل ملاحظهای کاهش میدهد.[2,3,14,19,20]محققان تحقیقات صورت گرفته در زمینه فراصوت و ریزموج را نیازمند تحقیقات گستردهتری دانسته اند. از طرفی هر یک از این روشها به تنهایی دارای محدودیتهایی نظیر انتقال حرارت برای ریزموج و انتقال جرم برای فراصوت میباشند .[1,28]
در زمینه ترکیب اثرامواج فراصوت نیز بتازگی تحقیقاتی برروی روغن های مختلف صورت گرفته است. نتایج نشان داد که ترکیب فراصوت و ریزموج بر سرعت واکنش اثر معنیدار داشته و زمان واکنش و انرژی مورد نیاز را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد .[26]در این مقاله به تولید بیودیزل از روغن کرچک به روش ترکیبی اثر امواج ریزموج و فراصوت بر فرآیند تولیدبیودیزل برای بهینه سازی برخی پارامترهای موثر بر واکنش و ارتباط بین آنها پرداخته شده است. در این تحقیق به بررسی اثر توان فراصوت، زمان همزنی فراصوت، توان ریزموج و زمان تابش ریزموج بر بازده واکنش ترانس استریفیکاسیون پرداخته شده است.
مواد و روشها
در این تحقیق دانههای روغنی از منطقه خوزستان جمع آوری شدند. به منظور روغنکشی دانهها از پرس سرد استفاده شد.[23] از متانول با خلوص 99/9 درصد تولید شرکت مرک1آلمان به عنوان واکنش دهنده استفاده شد. در این پژوهش از یک دستگاه منبع فراصوت مدل UP400S ساخت شرکت Hielscher آلمان به عنوان منبع تولید کننده امواج فراصوت استفاده شد. این دستگاه دارای توان بیشینه 400 وات در فرکانس ثابت 24 کیلو هرتز میباشد. برای رآکتور فراصوت از یک رآکتور شیشهای با قطر 63 و طول 110 میلیمتر که به منظور تنظیم دمای رآکتور دو جداره ساخته شده بود استفاده گردید.
از یک سیرکولاتوربه منظور تنظیم دمای واکنش و از یک دستگاه ریزموج خانگی مدل سامسونگ 2030W با توان خروجی متغیر جهت تولید امواج ریزموج استفاده شد. یک لوله تفلون با قطر داخلی6 میلیمتر و طول کلی 4/8 متر به صورت مارپیچ به عنوان راکتوردرون محفظه ریز موج قرار داده شد. برای انتقال مواد واکنش به محفظه فراصوت و ریزموج از پمپ پریستالتیک استفاده گردید. حسگر دمایی برای ثبت دمای واکنش در خروجی رآکتور ریزموج قرار داده شد. شکل 1 نمای کلی دستگاه ساخته شده تولید بیودیزل به روش فراصوت وریزموج را نشان میدهد.روند کار سامانه ساخته شده به این صورت میباشد که ابتدا پمپهای پریستالتیک1 مواد اولیه شامل روغن و محلول متوکسید را با توجه به زمان بندی تعیین شده بر اساس نسبت مولی تعیین شده، به درون رآکتور فراصوت پمپ می کنند.
بعد از اتمام زمان همزنی فراصوت، شیر برقی باز شده و مواد واکنشدهنده از طریق پمپ پریستالتیک به محفظه ریزموج وارد خواهند شد. نسبت مولی در این آزمایش برابر 6:1 در نظر گرفته شد. در این تحقیق از دستگاه گازکروماتوگرافی - clarusPerkinElmer 580 با ستون BPX - BIOD5 - 12 m × 0.32 mm + 2 m × 0.1 - با آشکارساز FID به منظور تعیین درصدمتیل استر تولیدی بر اساس استانداردBS EN 14103 مورد استفاده قرار گرفت.برای تعیین میزان متیل استر موجود در بیودیزل، نمونهها به دستگاه GC انتقال داده شد. درصد متیل استر موجود در بیودیزل با رابطه - 1 - اندازه گیری شد. اسیدهای چرب آزاد در نمونه ها با استفاده از محلول متیل هپتادکانوات و نرمال هپتان تعیین شده است.[8]
که در آن A مجموع سطح زیر پیک مربوط به اسیدهای چرب C6 تا AEI سطح زیر پیک مربوط به متیل هپتادکانوات، CEI غلظت محلول متیل هپتادکانوات - میلی گرم بر میلی لیتر - ، VEI حجم محلول متیل هپتادکانوات - میلی لیتر - و m جرم نمونه - میلی گرم - میباشد.جهت بررسی اثر پارامترهای فرآیند بیودیزل از طراحی آزمایش Central Composite Design استفاده گردید. جهت
تحلیل گرافیکی و رگرسیون دادههای آزمایشاز نرم افزار استفاده شد.
