مقاله تولید بیو دیزل از ترکیب روغن زیتون و چربی مرغ با استفاده از کاتالیست های قلیایی

بخشی از مقاله

چکیده

با رو به کاهش رفتن منابع نفت خام و افزایش قیمت جهانی آن، نیاز به سوخت های جایگزین بیش از پیش مطرح شده است که یکی از مهم ترین آنها، سوخت بیودیزل می باشد. بیودیزل متیل استری است که از روغن نباتی، چربی حیوانات و یا از منابع طبیعی تجدید پذیر مانند روغن های گیاهی ساخته می شود. در این مقاله برای تولید بیودیزل از ترکیب روغن زیتون و چربی مرغ به عنوان منبع اولیه و با استفاده از یک درصد وزنی از کاتالیست های قلیایی - هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم - ، زمان 60 دقیقه، نسبت مولی - 1:6 - و استفاده از فرآیند ترانس استری شدن استفاده شد.

به منظور بهبود برخی خواص بیودیزل تولیدی، آنها را در نسبت های مختلف 25B - ،50B ، 75B، - 100B با گازوئیل ترکیب کرده و خواص آنها نظیر نقطه اشتعال، ویسکوزیته سینماتیکی، دانسیته، نقطه ابری شدن و تقطیر بر اساس استاندارد بین المللی ASTM 6751D مورد بررسی و آنالیز قرار گرفت. با توجه به نتایج به دست آمده خواص بیودیزل در محدوده استانداردهای ذکر شده قرار داشت.

-1مقدمه

پس از بحران نفت در سال 1970، پژوهش هایی در زمینه سوخت های جایگزین برای موتورهایی که دارای پس احتراق داخلی بودند صورت گرفت که این سوخت ها، تجدیدپذیر، قایل دسترس تر و پاک تر از سوخت های فسیلی بودند .]1[ بیودیزل سوختی جایگزین است که از روغن های گیاهی و یا چربی های حیوانی تولید می شود .]2[ روغن های گیاهی یا چربی های حیوانی می توانند شامل روغن های قابل مصرف برای خوردن و یا روغن های غیرقابل خوردن باشند که برای تولید بیودیزل استفاده می شوند. بیودیزل می تواند از مواد خام نیز تولید گردد.

از مواد خام می توان انواع روغن های گیاهی مانند سویا، پنبه دانه، نارگیل، خرما، گلرنگ، آفتاب گردان، روغن کرچک وسایر روغن های گیاهی، روغن های حیوانی و زائد خوراکی را نام برد .]3[ تولید بیودیزل از روغن های خوراکی خام در طولانی مدت می تواند باعث نگرانی هایی شود ]4[ ، چون این مواد مصارف غذایی داشته و در طولانی مدت می تواند باعث کاهش مواد غذایی مورد نیاز برای جمعیت جهانی گردد.

بنابراین، منابع روغن های غیرخوراکی در سراسر دنیا توجه زیادی را به خود جلب کرده است، زیرا این مواد به راحتی در دسترس قرار می گیرند و کاربردی در مصارف غذایی ندارند.]4[ از روغن های غیر قابل مصرف که در تولید بیودیزل مورد استفاده قرار می گیرند می توان به روغن های زائد خوراکی]6-5[ و روغن های خرمای خوراکی زائد ]7[، روغن های حیوانی نظیر روغن مرغ ]9-8[، چربی اردک ]10[، چربی گوسفند و گاو ]11[ و چربی بز ]12[ اشاره کرد.

تولید بیودیزل از روغن های خام باعث افزایش بها و قیمت بیودیزل تولیدی در مقایسه با سوخت های مشتق شده از نفت می شود زیرا در صورت استفاده از روغن های خوراکی، %95- 70 از ارزش و بهای کل بیودیزل تولیدی مربوط به روغن و منابع اولیه برای تولید بیودیزل می باشد ]15-13[، بنابراین برای کاهش هزینه بیودیزل تولیدی از روغن های غیرخوراکی و زائد استفاده می گردد. برای تولید بیودیزل از روغن های گیاهی و چربی های حیوانی راه های مختلفی وجود دارد که می توان به پیرولیز، رقیق سازی ، میکروامولسیون و فرایند ترانس استری شدن اشاره کرد.

]16[ بیودیزل عمدتا از مواد خام چربی به وسیله فرآیند ترانس استری شدن تولید می شود. فرآیند ترانس استری شدن واکنشی شیمیایی است که بین روغن های گیاهی - عمدتا شامل تری گلیسرید - و یک الکل با زنجیر کوتاه - اتانول، متانول یا پروپانول - صورت می گیرد و بیودیزل و گلیسرول تولید می گردد که گلیسرول به عنوان محصول جانبی به شمار می رود .]17[ فرآیند ترانس استری شدن عمدتا در حضور کاتالیست انجام می شود . از کاتالیست های مورد استفاده در فرآیند ترانس استری شدن می توان کاتالیست های هموژن - قلیایی، اسیدی و آنزیمی - و هتروژن را نام برد.

در تولید بیودیزل به وسیله فرآیند ترانس استری عمدتا از کاتالیست های قلیایی نظیر سدیم و پتاسیم هیدروکسید استفاده می شود ]20-18[، زیرا کاتالیست های قلیایی نسبت به کاتالیست های دیگر عمدتا بازده بیشتری داشته ]21[ و هم چنین در دماهای پایین و فشار اتمسفری واکنش داده و در زمان کوتاهی از واکنش، بازدهی بالایی خواهند داشت .]22[ کاتالیست های قلیایی برای منابع روغنی که اسیدهای چرب آزاد آنها بین % 0/1-0/5 باشد کاربرد دارد زیرا اگر میزان اسیدهای چرب آزاد منبع روغنی بیشتر از این مقدار باشد در اثر واکنش ترانس استری شدن در حضور کاتالیست های قلیایی صابون تشکیل می شود و بازدهی فرآیند کاهش می یابد و همچنین خالص سازی بیودیزل تولیدی در انتهای فرآیند مشکل تر می شود.

وقتی میزان اسیدهای چرب روغن استفاده شده برای تولید بیودیزل بالا باشد - % 3/5-40 - باید از تکنولوژی های دیگر استفاده کرد .]24-23[ یکی از این تکنولوژی ها استفاده از کاتالیست های اسیدی است. تولید بیودیزل از کاتالیست های اسیدی نیازمند زمان طولانی برای واکنش هستند بنابراین مقرون به صرفه نیستند و در تولید بیودیزل در مقیاس صنعتی توان رقابت با کاتالیست های قلیایی را ندارد. برای تولید بیودیزل از روغن های دارای اسیدهای چرب بیش از 0/5 %، معمولا واکنش در دو مرحله صورت می گیرد.

در مرحله اول کاتالیست اسیدی مورد استفاده قرار می گیرد و واکنش روغن در حضور کاتالیست اسیدی باعث می شود مقدار اسیدهای چرب آزاد روغن کاهش یابد و سپس در مرحله دوم ترکیب روغن و استر تولید شده در حضور کاتالیست های قلیایی طی فرآیند ترانس استری شدن به بیودیزل تبدیل می شود که استفاده از این تکنولوژی در بررسی های متعددی صورت گرفته و بازدهی قابل قبولی نیز داشته است .]26-25[ در تولید بیودیزل علاوه بر ترکیب منبع روغنی مورد استفاده پارامترهای دیگری نیز موثر هستند که می توان به نسبت الکل - متانول یا اتانول - به روغن، دمای واکنش، زمان واکنش، مقدار و نوع کاتالیست مورد استفاده، سرعت هم زدن محلول و نحوه خالص سازی و شستشوی بیودیزل، اشاره کرد.

بعد از تولید بیودیزل برای بهبود خواص آن، آن را با گازوییل در نسبت های مختلف ترکیب می کنند .]28-27[ در این بررسی برای تولید بیودیزل از ترکیب چربی مرغ و روغن زیتون با استفاده از کاتالیست های قلیایی نظیر پتاسیم متوکسید و پتاسیم هیدروکسید برای تولید بیودیزل استفاده گردید. سپس بیودیزل تولید شده را با نسبت های مختلف با گازوییل ترکیب کرده و خواص آن مانند دمای اشتعال دمای ابری شدن ویسکوزیته دانسیته و نقطه تقطیر تعیین و مقادیر آن با خواص گازوییل مقایسه شد.

-2مواد و روش ها

-1-2 مواد مورد استفاده

در این آزمایش برای بررسی امکان تولید بیودیزل از روغن زیتون و چربی مرغ، ابتدا مقداری چربی مرغ از کشتارگاه های بوشهر و روغن زیتون از مغازه های سطح شهر تهیه شد. الکل مورد استفاده در این تحقیق الکل متانول - CH3 - OH - - که از شرکت مرک آلمان خریداری گردید که دارای خلوص 99/9 درصد است. کاتالیزورهای مورد استفاده در این تحقیق هیدروکسید پتاسیم - KOH - و هیدروکسید سدیم - NaOH - و سدیم سولفات - Na2SO4 - که هرسه از محصولات شرکت مرک آلمان بوده استفاده گردیده است.

-2-2 نحوه استخراج روغن از پیه مرغ

ابتدا 1 کیلوگرم از پیه مرغ را در یک دیگ ریخته و روی هیتر گذاشته و یک لیوان آب به آن اضاف کرده و با توجه به این که درصد زیادی از بافت چربی مرغ حاوی آب می باشد و وجود این آب باعث شکست واکنش میشود . در ابتدا دمای چربی های تهیه شده تا100× درجه سانتیگراد بالا برده شد و مدتی در همین دما نگه داشته شد تا آب درون چربی تبخیر شده و بعد به مدت 7 ساعت حرارت دادیم تا پیه ذوب شده و آب موجود درون  روغن  بدست آمده به طور کامل تبخیر گردید و سپس با عبور دادن روغن به دست آمده از این مرحله از درون صافی عبور داده شد تا مواد خارجی در حد امکان از روغن جدا شود بعد از گذشت 24 ساعت آب به دلیل چگالی بالاتر از روغن به طور کامل جدا شده و در کف ظرف جداسازی جمع گردید و به راحتی از روغن جدا گردید. 

-5-2 جداسازی گلیسرین

در این تحقیق، فرآیند جداسازی به روش ته نشینی بعد از انجام واکنش ترانس استریفیکاسیون انجام شد. میزان جداسازی گلیسرین بستگی به مدت زمان جداسازی داشته و هر میزان زمان بیشتری صرف این عمل شود، درصد بیشتری گلیسرین از فاز بیودیزل جدا می شود. در حدود %90 گلیسرین موجود در بیودیزل در 15 تا 30 دقیقه ابتدایی جدا می شود. با اینحال، به منظور جداسازی کامل گلیسرین 12 ساعت زمان داده شد.

خالص سازی به روش آبشویی تنها نیازمند دو عامل می باشد : آب و زمان. اساس و مفهوم روش آبشویی، بکارگیری آب برای افزایش غلظت بیودیزل می باشد. علت استفاده از آب ، این است که وقتی آب با بیودیزل مخلوط می شود، ذرات غیر قابل دسترس را در خود حل و جمع کرده و از آن جدا می کند و سرانجام بیودیزل تمیز بدست می آید. در این روش، درصد معینی از آب به بیودیزل خام افزوده می گردد و آب باعث تصفیه کردن بیودیزل می شود.

هنگامی که آب از میان سوخت بیودیزل عبور می کند، به ناخالصی ها حمله کرده و با انحلال این ناخالصی ها در خود، در مرحله ی دیگر آب آلوده بیرون کشیده می شود. این فرآیند تا آن جا که آب زدودنی از لحاظ رنگ پاک شود، تکرار می شود .دفعات آبشویی به کیفیت روغن و دقت انجام واکنش بستگی دارد. برای روغن های تازه که آب و اسید های چرب آزاد کمی دارند، 3- 2 بار آبشویی کافی می باشد ولی برای روغن های پسماند، این تعداد افزایش یافته و به 5- 7 بار میرسد. شفاف شدن آب پسماند حاصل از آبشویی معیار خوبی برای اتمام کار است. تعداد دفعات آبشویی بیشتر و مقدار آب کمتر، بر این که مقدار آب بیشتری در تعداد دفعات کمتر آبشویی استفاده گردد ارجحیت دارد.[30]

-7-2 روش خشک شویی

در گذشته از روش آبشویی به طور گسترده تر به منظور زدودن آلاینده ها و ناخالصی های شیمیایی موجود در بیودیزل فرآوری نشده، استفاده می شده است. اما امروزه به دلیل برخی مشکلات اقتصادی نظیر حجم زیاد آب و فضای - مخازن بزرگ - مورد نیاز و همچنین برخی مشکلات فنی و زیست محیطی از قبیل تشکیل امولسیون، حجم زیاد فاضلاب خروجی و زمان بر بودن فرآیند - دفعات آبشویی و خشک کردن محصول نهایی - ، گرایش به سمت بکارگیری روش های خالص سازی بدون نیاز به آب در دستور کار بسیاری از محققان و تولید کنندگان در صنعت بیودیزل قرار گرفته است. در روش خشکشویی، آب با رزین تبادلگر یونی و یا پودر منیزیم سیلیکات و سدیم سولفات به منظور از بین بردن حداکثر ناخالصی ها، جایگزین گردیده است. در حال حاضر هر دو روش خشک شویی در کارخانه های صنعتی در حال استفاده می باشند.[31]