مقاله تولید بیودیزل از لجن فاضلاب شهری

بخشی از مقاله

تولید بیودیزل از لجن فاضلاب شهری

چکیده

بیودیزل یک سوخت متشکل از استرهای مونوآلکیل می باشد که به طور معمول از روغن هـای گیـاهی یـا چربـی هـای حیـوانی مشتق شده است. اما دانه های گیاهی و یا روغن خالص ، گرانقیمت هستند و بین % 70 و 85٪ از هزینـه کلـی تولیـد بیـودیزل را تشکیل می دهند.در حال حاضر افزایش بی سابقه ای در علاقه و تقاضا برای تولید بیودیزل و سوخت های دیگر از زیست توده های تجدید پذیر بوجود آمده است . لجن فاضلاب شهری در حال کسب جایگاه ویژه ای در ایالات متحده و در سراسر جهـان بـه عنـوان خوراک اولیه این چربی برای تولید بیودیزل است. لجن فراوان است و شامل غلظت های قابل توجهی از چربی است کـه مـی توانـد تولید بیودیزل از لجن را سودآور نماید. با این حال، چالش های تولید بیودیزل از لجـن ضـایعات وجـود دارد. تعیـین بهتـرین روش برای جمع آوری اجزای مختلف و تصفیه آنها برای استخراج چربیِ حداکثر، یک چالش بزرگ است. برای سرعت بخشیدن به تولیـد بیودیزل، کو سالونتها1 و اختلاط با برش بالا ارائه شده اند. با این وجود، اطلاعات بسیار کمی در مـورد روشـهای مقـرون بـه صـرفه

افزایش حلالیت چربی وجود دارد.برای افزایش تولید بیودیزل،پیشنهاد گردیده است که اپراتورهای فاضلاب از میکروارگانیسم هـایی استفاده کنند که دارای قابلیت انتخابی در تولید نفت می باشند. این روش می تواند میزان تولید بیودیزل را بـه میـزان 10 بیلیـون گالن ، که بیش از سه برابر ظرفیت تولید فعلی بیودیزل کشور است ،افزایش می دهد.از طرفی حضور مواد شیمیایی دارویی در لجن یک چالش بزرگ است که نیاز به به انتخاب دقیق فن آوری های تصفیه و میکروب ها ی انتخابی برای این مواد شیمیایی دارویـی را الزامی می سازد. در نهایت، تولید بیودیزل از لجن در دراز مدت می تواند بسیار سودآور باشد. در حال حاضر، هزینـه هـای تولیـد در حدود 3.11 دلار در هر گالن بیودیزل تخمین زده شده است. برای توجیه استفاده از بیودیزل در رقابت با پترودیزل ، این هزینـه باید به میزان برابر یا کمتراز هزینه های کنونی پترو دیزل یعنی 3.00 دلار در هر گالن کاهش یابد.

واژههای کلیدی:بیودیزل،لجن، فاضلاب،سوخت،روغن

-1مقدمه

بیودیزل می تواند به عنوان یک جایگزین بالقوه سوخت برای سوخت دیزل مبتنی بر نفت تلقی گردد.ایالات متحده امریکا و جهـان شاهد افزایش بی سابقه ای در علاقه و تقاضا برای بیودیزل و سایر سوخت های حاصل از زیست توده های تجدیـد پـذیر اسـت. بـه عنوان مثال، تولید بیودیزل در ایالات متحده از 75 میلیون گالن درسال 2005 به 250 میلیون گالن در سال 2006 و 450 میلیون گالن درسال 2007، افزایش داشته است و چنین انتظار می رود که در چند سال آینده ظرفیت کل تولید بیودیزل بالغ بر 1 بیلیون گالن باشد. با این حال، این صنعت در مقایسه با صنعت پترو دیزل هنوز بسیار جوان است و در ابتدای راه قرار دارد. به عنوان مثال، در سال 2007، ایالات متحده بیش از 60 بیلیون گالن دیزل مبتنی بر نفت را در مقایسه با 450 میلیـون گـالن بیـودیزل سـوزانده است. افزایش تقاضا برای بیودیزل باعث نیاز رو به افزایش برای مواد اولیه دانه روغنـی ماننـد سـویا،کلزا،آفتابگردان، خرمـا و روغـن نارگیل شده است. در حال حاضر،روغن های خالص گیاهی یا دانه ای گران قیمت هستند و بین 70٪ و 85٪ از هزینه هـای تولیـد بیودیزل را سبب می شوند.بنابراین ، استفاده از مواد اولیه جایگزین غیر خوراکی مانند Jatropha، چربی هـای حیـوانی و روغـن های زائد پخت و پز در حال افزایش است(1و.(2

لجن فاضلاب شهری در حال به دست آوردن جایگاه ویژه ای در ایالات متحده و در سراسر جهان به عنوان ماده اولیـه ایـن چربـی برای تولید بیودیزل است.زیرا اولاً، لجن فاضلاب شهری حاوی مقادیر قابل توجهی از چربیهای حاصله از جذب مستقیمِ چربی بـر روی لجن است.این چربی های حاوی انرژی شامل تری گلیسیرید، دی گلیسریدها، مونوگلیسریدها، فسفولیپیدها، و اسیدهای چرب آزاد موجود در روغن ها و چربی ها است. علاوه بر این، میکروارگانیسم های مورد استفاده در فرایندهای تصفیه فاضلاب ، ترکیبـات آلی و غیر آلی فاضلاب راهب عنوان یک منبع انرژی، کربن و نوترینـت مـورد اسـتفاده قـرار مـی دهنـد .غشـاء هـای سـلولیِ ایـن میکروارگانیسمها ترکیب اصلی لجن فاضلاب می باشد و عمدتاً از فسفولیپیدها تشکیل شده اند.تخمین زده شده است که در حدود
%25-24 ازآن را جرم خشک سلولی و حدود %7 آن را روغن لجن خشک شده ثانویه تشکیل می دهد(3و4و.(5
سایر مطالعات نشان داده اند که تا ٪36. 8 wt لجن خشک از اسیدهای چرب و استروئیدها تشکیل شده اسـت. حضـور اسـیدهای چرب در لجن که عمدتاً در محدوده C10 تا C18 می باشند، لجن را برای تولیـد بیـودیزل بسـیار عـالی سـاخته اسـت.نکته دوم فراوانی لجن است طوریکه تاسیسات تصفیه خانه های فاضلاب ایالات متحده به تنهایی، تقریبا6.2 میلیون تن متریک لجن خشـک

در سال تولید می کنند و انتظار می رود در آینده با توجه به افزایش شهرنشینی و صنعتی شدن این مقدار افزایش یابد(6و.(7
سوم آنکه، درمدیریت لجن چالش های زیست محیطی فراوانـی مطـرح شـده اسـت. اسـتفاده از زمـین بـرای مصـارف کشـاورزی مخالفتهای بسیاری به دلیل بو و حضور فلزات سنگین و به تازگی، برای بالقوه قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی نوظهور دارویی را در پی داشته است. به طور مشابه، سوزاندن لجن سبب تولید گازهای گلخانه ای که حاوی دیوکسین و فلزات سنگین هستند می گردد. بنابراین، تولید بیودیزل از لجن به عنوان یک جایگزین مناسب برای دفع در زمین ،به حـل هـر دو مشـکل انـرژی و مسـائل زیست محیطی کمک خواهد کرد(.(5-1

در نهایت، مطالعات نشان می دهد که یکپارچه سازی فرآیندهای استخراج چربی در 50٪ از تمـام تصـفیه خانـه هـای موجـود در فاضلاب شهری در ایالات متحده و تبادل استری از چربی استخراج شده می تواند در حدود 1.8 بیلیون گالن بیودیزل تولید کند که تقریبا 0.5٪ تقاضای دیزل سالانه ملی نفت می باشد.بیودیزل از استرهای الکیل اسـیدهای چـرب 1(FAAEs) تولیـدی از تبـادل

استری کاتالیزورهای اسیدی یا بازی چربیها با استفاده از الکل،تشکیل شده است.اسید چرب متیل اسـتر(1(FAME ، اصـطلاحی است که برای بیودیزل تهیه شده از متانول بکار می رود زمانیکه الکل در فرایند تبادل استری بکار می رود. معادله 1 مثالی از تولید بیودیزل از طریق تبادل استری چربی یا روغن موجود در کاتالیستهای اسـیدی تولیـدی از مخلـوط FAMEs و گلیسـیرول مـی باشد(.(5

معادله 1 تولید بیودیزل از طریق تبادل استری چربی یا روغن موجود در کاتالیستهای اسیدی تولیدی از مخلوط FAMEs و گلیسیرول((16

در فرایند تبادل استری نشان داده شده در بالا R1,R2,R3 اسیدهای چرب با زنجیره های طولانی هستند کـه تنهـا 5 تـا از ایـن زنجیره ها در اغلب روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی متداول می باشد.خصوصیات فیزیکی بیودیزل حاصله ( بعنـوان مثـال عـدد اکتان، شدت اکسیداسیون و (cold flow معمولاً از طریق مقادیر نسبی استرهای چربی تعیین می گردد.در تبـادل اسـتری نشـان داده شده در بالا تقریباً یک حجم از روغن یا چربی ، یک حجم بیودیزل می دهد(.(7-5

-2 چالشها

تولید بیودیزل از لجن فاضلاب به چالش عظیمی برای غلبه بر فرصت های تجاری تبدیل شده است. برخی از این چالش ها منحصر به تولید بیودیزل از لجن نیستند و به کل صنعت بیودیزل مربوط می گردند. این چالشها عبارتند از (1) جمع آوری لجن،((2 تولید بهینه از بیودیزل، (3) حفظ کیفیت محصول (4) تشکیل صابون و جدایی محصول،((5 طراحی بیوراکتور، (6) مواد شیمیایی دارویی در لجن، (7) نگرانی های نظارتی، (8) اقتصاد تولید بیودیزل .(9)جمع آوری لجن(.(8

لجن اولیه ترکیبی از چربی و مواد جامد شناور جمع آوری شده در انتهای زلالساز اولیه تصفیه خانـه فاضـلاب پـس از غربـالگری و حذف شن است.لجن ثانویه یا لجن فعال ، که عمدتا از سلول هـای میکروبـی و مـواد معلـق تشـکیل شـده اسـت، در طـی تصـفیه بیولوژیکی هوازی از فاضلاب تولید می شود و در زلالساز ثانویه جمع آوری می گردد(.(8

تولید بیودیزل از هردو لجن اولیه و ثانویه در حال حاضر تحت مطالعه و تحقیقات بسیار قـرار گرفتـه اسـت. چالشـهای بسـیاری در تعیین بهترین روش برای جمع آوری این بخش ازتصفیه خانه ها و تصفیه آنها جهت استخراج حداکثر چربی وجود داشته اسـت.به عنوان مثال، کارایی FAMEs از لجن اولیه (حداکثر کارایی از 14.5 درصد وزنی) به میزان قابل توجهی تحـت تـاثیر فاکتورهـای دما، غلظت کاتالیزور اسید و نسبت جرم متانول به لجن می باشد، در حالی که کارایی FAMEs از لجن ثانویه(حداکثر کـارایی از 2.5 درصد وزنی) به طور قابل توجهی مستقل از سه مورد بالا است. کنترل این عوامل می تواند به میزان قابل توجهی هزینـه هـای تولید را تحت تاثیر قرار دهد(.(8

-1-2 چالشهای تولید

تولید بهینه از بیودیزل با چالش های بزرگ مواجه شده است. اولین چالش مطرح شده آنست کـه ، چربـی هـای حـاوی اسـیدهای چرب معمولاًاستخراج شده و سپس استری استخراج می گرد. به تازگی، روش تبادل استریِ درجا که در آن اسید چـرب ، حـاوی لیپیدها به طور همزمان استخراج و استری شده است ،مورد آزمایش قرار گرفته است. در این فرایند زمان واکنش کـاهش یافتـه و مقدار حلال و نمونه مورد نیاز در مقایسه با استخراج چربی جداگانه و فرآیندهای تبادل استری کمتر می باشد. ایـن روش در حـال حاضر محل انجام تحقیقات بسیار است.در واکنش تبادل استری زمان واکنش را می توان با افزایش درجه حرارت و با افزودن آنـزیم
کاهش داد(.(8

به عنوان مثال، افزودن %17-9 آنزیم لیپاز به میزان قابل توجهی واکنش تبادل اسـتری روغـن تونـگ را کـاهش داده و در نتیجـه تبدیل استری روغن تونگ را افزایش می دهد(.(8

شرایط بهینه برای این فرایند به نسبت 2.2:1 مولار متـانول بـه نفـت، زمـان واکـنش از 18 سـاعت، دمـای واکـنش از 43 درجـه سانتیگراد، و مقدار لیپاز از 14٪ گزارش شده است. دوم، کامل شدن واکنش 98 >)٪ کامـل اسـت) و بـدنبال آن کـاهش کیفیـت سوخت (مقدار اسید) به جنبه های چالش برانگیز تولید بیودیزل از مواد اولیه سنتی تبدیل شـده اسـت و نبایـد بـا زمانیکـه لجـن بعنوان مواد اولیه مورد استفاده قرار می گیرد تفاوت چندانی داشته باشد(.(8

استفاده از دماهای بالاتر جهت سرعت بخشیدن به واکنش نیاز به مخازن تحت فشار دارد، زیرا درجه جوش الکل (متـانول) در 148 درجه فارنهایت 65) درجه سانتیگراد) است. افزودن کوسالونت ها و اختلاط برشی بالا نیز به عنوان راه هایی برای سرعت بخشـیدن به واکنش ارائه شده است(.(8

سومین چالش آنکه، انتخاب دقیق کاتالیزور یک جزء کلیدی از تولید موفقیت آمیز بیودیزل از مواد اولیه لیپیدی مانند لجن است. کاتالیزورهای کنونی کندتر هستند لذا نیاز به درجه حرارت و فشار بالاتر ، زمانهای واکنش طـولانی تـر، و حجـم بـالایی از الکـل دارند. تحقیقات کاتالیستی قابل توجهی نیز در حال انجام است. با این حال، این تحقیقات محدود به فاز جامد، کاتالیزورهای بسـتر ثابت ، می باشند. انتخاب صحیح یک کاتالیزور ممکن است هزینه های پاکسازی گلیسیرین را کاهش می دهد. در نهایت، به حداقل رساندن هزینه های تولید، نیازمند به حداقل رساندن مصرف الکل بیش از حد مورد نیاز است .(8)

-3-2 حفظ کیفیت محصول

موتورهای دیزلی مدرن نسبت به کیفیت سوخت بسیار حساس می باشند. در نتیجه، حفظ کیفیت محصـول بیـودیزل بـرای رشـد صنعت بیودیزل ضروری است. برای آنکه سوخت از نوع دیزل تلقی گردد، محصول باید مشخصـات ASTM D6751 بـرای نقطـه اشتعال ، آب و رسوب، ویسکوزیته، خاکستر سولفاته، گوگرد کل، نوار خوردگی مس، عدد ستان، نقطه ابری شدن، کربن باقی مانده، تعداد اسید، گلیسیرین آزاد و کل، فسفر، و نقطه پایان خلا تقطیر را تامین کند. لجن اولیه از تاسیسـات تصـفیه خانـه فاضـلاب بـه عنوان یک منبع با کیفیت پایین چربی و گریس تلقی می گردد. با توجه به این که عملکرد لجن اولیه (با کیفیت پـایین) بـالاتر از لجن ثانویه (کیفیت بالاتر) است، نیاز به بهبود حلالیت چربی در مخلوط واکنش رد تبادل استری وجود دارد. این مسئله معمولاً بـا افزایش هگزان،رفع می شود که به میزان قابل توجهی هزینه های تولید بیودیزل را افزایش می دهد.چالش بر سر پیـدا کـردن یـک ابزار مقرون به صرفه تر نسبت به روش افزایش حلالیت چربی است(.(8

-4-2 تشکیل صابون و جداسازی محصول