بخشی از مقاله
چکیده _ در سالهای اخیر تولید بیودیزل به عنوان یک سوخت پاک و جایگزین سوختهای دیزلی مطرح است. بیودیزل دارای خواص فیزیکی مناسبی جهت استفاده در موتورهای دیزلی است. این سوخت از واکنش ترانساستریفیکاسیون روغن و متانول در حضور کاتالیست مناسب تولید میشود. امروزه بدلیل آلودگیهای زیست محیطی ناشی از کاتالیستهای همگن از کاتالیستهای ناهگمن استفاده میشود. در این مطالعه از رسوب واحد DM به عنوان یک کاتالیست ارزانقیمت استفاده شد.
این کاتالیست در دماهای کلسیناسیون بالاتر از 900 C به کلسیم اکسید و منیزیم اکسید تبدیل میشود. استفاده از کاتالیستهای ناهمگن بدلیل ایجاد سه فاز مختلف سرعت پایینتری نسبت به واکنشها در حضورکاتالیستهای همگن بوجود میآورد. در این مطالعه جهت کاهش زمان واکنش از میکروراکتور استفاده شده است. عملکرد میکروراکتور بهگونهای بوده که در شرایط تقریباً برابر نسبت به سیستمهای دیگر سرعت واکنش تا حدود زیادی کاهش یابد. به عبارتی بیودیزل با خواص مشابه درون یک راکتور کاملاً همزده و میکروراکتور موجود در این مطالعه به ترتیب در زمانهای 480min و 10min بدست آمده است.
.1 مقدمه
با افزایش قیمت جهانی نفت، در عمل تقاضا برای بازه گستردهای از انرژیهای تجدیدپذیر، از توربینهای بادی تا خودروهای الکلسوز، افزایش یافته است. اگرچه روی آوردن به سوختهای جدید تنها هنگامی نمایان میشود که قیمت نفت در بازارهای جهانی به یکباره اوج میگیرد، اما جنبش انرژیهای تجدیدپذیر به تدریج در حال وارد شدن به مرحله جدیدی از پویایی است. رشد امروزه تولید و مصرف انرژیهای جایگزین نه تنها واکنشی سریع و احساسی به تغییر کوتاه مدت قیمتهای جهانی سوخت-های فسیلی نیست، بلکه افراد با نگاهی سطحی به میزان ذخایر موجود انرژی و تعدد مسائل زیست محیطی درمییابند که چارهای جز روی آوردن به اقتصادهای مبتنی بر انرژیهای جایگزین در شهرها و روستاهای خود ندارند .[1]
تحقیقات روی سوختهای زیستی با سه هدف عمده انجام میشود . این اهداف عبارتند از: تعیین تنوع منابع، راههای بهرهگیری و استفاده از آن و در نهایت تولید. از منابع اولیه تولید این سوختها میتوان به ضایعات چوبی، تفالههای محصولات کشاورزی، نیشکر، غلات، روغنهای گیاهی و سبزیجات اشاره کرد. امروزه بیشتر کشورها در بخش انرژی، عرضه و تقاضای خود را به سوی استفاده از اینگونه سوختها سوق میدهند، زیرا معضلهایی مانند آلودگی زیاد محیط زیست سوختهای فسیلی که به نوبه خود سبب برهمخوردن شرایط و تعادل اکولوژیک میشوند و خطرهای زیست محیطی را نیز به دنبال دارند، همچنین محدود بودن ذخایر سوخت فسیلی، موجب شده است تا به این نوع انرژی بیش از پیش توجه شود.
مواد فسیلی، جزء مهمی از اقتصاد و منابع عمده انرژی در دنیای امروز محسوب میشوند. سوختهای ناشی از فرآوردههای این مواد در تنوع بسیار بالا از دیر باز منبع انرژی در موتورهای احتراق داخلی بودهاند و وجود ذخایر فراوان زیرزمینی به استفاده بیشتر این سوختها کمک کرده است. این در حالی است که سوختن زغالسنگ، گاز طبیعی و نفت باعث تولید CO2 در جو زمین میگردد که معادل 6/3 میلیون تن کربن در هر سال است. بنابراین استفاده از سوختهای زیستی - تجدیدپذیر - به علت امنیت منابع وآلایندگی بسیار کمتر نسبت به سوختهای فسیلی اهمیت روزافزونی یافته است .[2]
سوختهای حاصل از زیست توده را میتوان در یک تقسیمبندی کلی به سوختهای مایع و گازی شکل طبقهبندی کرد. سوختهای مایع عبارتند از بیواتانول، بیومتانول و بیودیزل. بیواتانول و بیومتانول از طریق تخمیر موادی همچون چغندر قند، سیب زمینی و یا غلات بدست میآیند .[2] زیست توده چهارمین منبع انرژی جهان است و حدود 14 درصد از نیازهای انرژی جهان را تأمین میکند. سوخت حاصل از فناوریهای تبدیل زیست توده یا به حالت گاز - زیست گاز - و یا مایع - متانول، اتانول و بیودیزل - است که برای تولید الکتریسیته و گرما مورد استفاده قرار میگیرد. استفاده از منابع زیست توده، یکی از مناسبترین و اقتصادیترین روشهای تأمین نیازهای اساسی انرژی مردم فقیر در مناطق دور افتاده است .[2]
زیست توده دارای منابع متعددی میباشد. امروزه در جهان از منابع عمده تولید زیست توده میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
جنگلها و ضایعات جنگلی
محصولات و ضایعات کشاورزی
ضایعات فاضلابهای صنعتی
ضایعات جامد، فاضلابهای شهری و فضولات دامی
از جمله سوختهای زیستی جدید میتوان به بیودیزل اشاره کرد. بیودیزل عبارتست از آلکیل استرهای اسید چرب با زنجیر خطی و طولانی که با انجام واکنش ترانساستریفیکاسیون تریگلیسریدها با یک الکل در حضور کاتالیست مناسب حاصل میگردد. این سوخت که دارای خواصی شبیه و به مراتب بهتر از دیزل فسیلی است میتواند مستقیماً و بدون ایجاد تغییرات در موتورهای دیزل استفاده شود. از مزایای آن میتوان به روانسازی بهتر، انتشار کمتر آلایندهها از قبیل دوده، منوکسید کربن و دی اکسید گوگرد، دمای جوش بالا، تجدید پذیری و زیست تجزیهپذیری و از همه مهمتر کاهش تجمع گازهای گلخانهای در جو و ... اشاره کرد.
بیودیزل بر مبنای شکل 1 بدست میآیدمتانول. به دلیل ارزانی و فراوانی معمولاً بیشتر مورد استفاده است . لذا عبارت »متیل استرهای اسید چرب« یا " - $0 - " برای بیودیزل بکار میرود .[3] بیودیزل - منو آلکیل استر - یک سوخت دیزلی پاک است که از منابع طبیعی و قابل تجدید مانند روغنهای گیاهی ساخته میشود. بیودیزل درست مانند گازوئیل نفت در موتورهای احتراقی کار میکند و برای این کار اصولاً هیچگونه تغییر موتوری لازم نیست .[3]
بیودیزل را میتوان از روغنهای گیاهی تازه و یا استفاده شده و چربی حیوانات تولید کرد . این گازوئیل از منابع داخلی قابل تجدید بوجود میآید. این سوخت، قابل تجزیه بیولوژیکی است و هنگامی که بعنوان یک جزء ترکیبی مورد استفاده قرار میگیرد، نیازمند حداقل تغییرات در موتور است و نسبت به گازوئیلی که جایگزینش میشود، سوختی پاک است . روغنهای گیاهی میتوانند برای تولید ترکیبات شیمیائی -که استر خوانده میشوند- ، با یک الکل - معمولاً متانول - ترکیب شوند. زمانیکه این استرها به منظور سوخت مورد استفاده قرار میگیرند، بیودیزل خوانده شوند. گلیسیرول - که در داروسازی و تولید لوازم آرایش نیز مورد استفاده قرار میگیرد - به عنوان یک محصول فرعی تولید میشود .[4]
در این فرآیند ابتدا روغن گیاهی - یا چربی حیوانی - از فیلتر عبور داده میشود، سپس برای از بین بردن اسیدهای چرب آزاد، با باز فرآیند میگردد؛ بعد با یک الکل - معمولاً متانول - و یک کاتالیزور - معمولاً هیدروکسید سدیم یا پتاسیم - ترکیب میشود. تری گلیسریدهای روغن برای تشکیل استرها و گلیسرول واکنش شیمیایی انجام میدهند و بعداً از یکدیگر جدا شده و مورد تصفیه قرار میگیرند. بیشتر تمایلاتی که امروز برای تولید بیودیزل وجود دارد ناشی از ظرفیت بسیار بالای تولید سویا، تولیدات مازاد و کاهش قیمتها است. متیل سویات، یا سوی دیزل که از واکنش متانول با روغن سویا حاصل میشود، اصلیترین شکل بیودیزل در آمریکاست.
چربیهای بدون استفاده حیوانی و روغن سوخته - که بعنوان »شبه گریس « شناخته میشوند - نیز منابع و ذخایر خوبی هستند. این منابع از روغن سویا ارزانترند و به عنوان راهی برای کاهش هزینههای تامین مواد اولیه در نظر گرفته میشوند .[5] استفاده از میکروراکتورها باعث میشود که واکنشهای شیمیایی با نسبت سطح به حجم بالایی صورت گیرد. واکنشهای شیمیایی با مواد بیشتر - انتقال جرم بیشتر - و انرژی بیشتر - انتقال حرارت بیشتر - انجام می شود. همچنین این نسبت سطح به حجم بالا سبب ارتباط بیشتر واکنش دهندهها شده و درنتیجه واکنش شیمیایی با سرعت بیشتری انجام میشود بنابراین زمان اقامت در میکروراکتورها نسبت به دستگاههای مرسوم کمتر بوده و در نتیجه کنترلرهای مرسوم برای کنترل این دستگاهها خیلی کند هستند .[6]
.2 روشها
.2,1 مواد
روغن نباتی، متانول %99/5 - برای سنتز، - Merck و رسوب واحد DM به عنوان کاتالیست در واکنش استفاده شد. همچنین برای تعیین خلوص بیودیزل تولیدی از -n هگزان - extra pure, Merck - %95، متیل لائورات - متیل دودکانوات - 99/7< تولید شده در Sigma و استاندارد برای آنالیز GC مورد استفاده قرار گرفت.
.2,2 آماده سازی کاتالیست
ابتدا رسوب واحد DM را بوسیله هاون آسیاب کرده و سپس با الک ذرات ریز 125 -250 - میکرون - جدا شدند. سپس ذرات حاصله به مدت 18h در دمای 110 C خشک شده و در نهایت درون کوره در دمای 900 C به مدت 2 h کلسینه شد. این روند با استفاده از مطالعه مرادی و همکاران [8] انجام گرفت. در مطالعهای که بوسیله آنها انجام شد، مشخص شد که در دمای کلسیناسیون 900 C رسوب واحد DM به کلسیم اکسید و منیزیم اکسید تبدیل میشود .[8]
محققان معتقدند با استفاده از میکروراکتورها حدود %30 از تولیدات شیمیایی و دارویی، میتوانند با بازدهی بیشتر تولید شوند .به علت ابعاد کوچک میکروراکتورها، واکنش سریعتر انجام میشود و کنترل واکنش آسانتر است. استفاده از میکروراکتورها هزینههای تولید را به شدت کاهش میدهد. واکنشها در این فضاهای کوچک میتوانند خیلی با دقت کنترل شوند که این ویژگی میکروراکتورها سبب میشود واکنشها در محیطی ایمن، پاک و البته با بازدهی بالا انجام شوند. از اینرو تولید بیودیزل در این راکتورها نقش قابل ملاحظهای در کاهش هزینه تولید ایفا میکند .[7]
در این مطالعه تولید بیودیزل در یک میکروراکتور با استفاده از کاتالیست ناهمگن بازی مورد بررسی قرار گرفته است. در اینجا اثر متغیرهای فرآیندی روی بازدهی بیودیزل بررسی شد. هدف از این کار بررسی تأثیر میکروراکتور در واکنشهای شیمایی و اختلاط مواد میباشد. بر این اساس تولید بیودیزل با استفاده از کاتالیستهای ناهمگن قبلاً توسط غلامرضا مرادی و همکاران [8] در راکتور همزن دار مخزنی - batch - صورت گرفته با این مطالعه مورد مقایسه قرار میگیرد.
.2,3 روند واکنش
همه آزمایشات درون یک میکروراکتور از جنس پلکسی گلاس و با سطح مقطع مربعی به طول ضلع 700 میکرومتر بود انجام شد. جریان مخلوط کاتالست و روغن نباتی از یک طرف و جریان متانول از طرف دیگر در یک مجرای ورودی T شکل به یکدیگر برخورد کرده و وارد میکروراکتور شدند. نمایی از میکروراکتور مورد استفاده در این مطالعه در شکل 2 نشان داده شده است. میکروراکتور در حمام بنماری در دمای 60 C نگهداشته شد. پس از واکنش ابتدا کاتالیست بوسیله سانتریفوژ جدا شده و سپس درون یک دکانتور گلیسرول و بیودیزل تولیدی از یکدیگر جدا شدند. سپس جهت بالا بردن خلوص بیودیزل تولید شده، بوسیله آب 90 C چند بار شسته شد و در پایان جهت خارج نمودن آب باقیمانده به مدت 2h در آون با دمای 110 C قرار داده شد. شماتیکی از سیستم آزمایش در شکل 3 نشان داده شده است.
