بخشی از مقاله
چکیده:
افزایش روز افزون تقاضای انرژی در جهان و کاهش ذخایر سوختهای فسیلی و همچنین مسایل و مشکلات زیست محیطی ناشی از این سوختها، جوامع مختلف بر آن داشت تا مطالعات و تحقیقات گستردهای را درباره سوختهای تجدیدپذیر و پاک آغاز کنند. یکی از این نمونه سوختها، بیودیزل بود. در این پژوهش با استفاده از چربی گاو و در حضورکاتالیست باریم اکسید سوخت پاک بیودیزل با کیفیت و مطابق استاندارد تولید گردید.
پارامترهای مد نظر، جهت تولید و بررسی شرایط بهینه تولید، نسبت مولی روغن به متانول - 1/8-1/12-1/16 - ، درصد وزنی کاتالیست باریم اکسید 3/0-3/5-4/0 - درصد وزنی - ، دمای واکنش -65-75 - 50درجه سانتی گراد - و زمان واکنش 4-5-6 - ساعت - انتخاب و در برنامه آماری تاگوچی آرایه L27 برنامه ریزی و تولید گردید. شرایط بهینه در این پژوهش، نسبت مولی روغن به متانول: 1/16 ، درصد وزنی کاتالیست : % 4 ، دمای واکنش ، 50 درجه سانتی گراد و زمان واکنش 5 ساعت با بیشترین راندمان تولید 94/95 - میانگین سه بار تولید - درصد بدست آمد. جهت بررسی از بیودیزل تولید شده در شرایط بهینه، تستهای نقطه اشتعال، نقطه ابری شدن ، نقطه ریزش، ویسکوزیته و از کاتالیست باریم اکسید تست FT-IR انجام و با دادههای استاندارد مقایسه گردید. این نتایج مطابق با استانداردهای بیودیزل بود.
واژه های کلیدی: بیودیزل، پیه گاو، کاتالیست باریم اکسید
مقدمه
کاهش ذخایر انرژیهای فسیلی و افزایش قیمتهای نفت ومشتقات آن از یک طرف و افزایش آلودگیهای زیست محیطی حاصل از احتراق آنها ازطرف دیگر باعث شده که بشر امروزه درجهت تولید انرژیهای جایگزین که باعث کاهش آلودگی-های زیست محیطی شده ودارای قیمت مناسب نیز باشدتلاش کند . از جمله این سوخت ها می توان به سوخت های خورشیدی و زیستی اشاره کرد، که در این میان بیودیزل به عنوان رایجترین سوخت زیستی شناخته می شود و کاربردهای زیادی دارد.[1-4] بیودیزل به سوختهایی گفته میشود که ازانواع روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی به روش استری کردن1تهیه میشوند. امروزه روغنهای گیاهی علاوه بر مصارف اهمیت بسیاری دارند.
فرآیند شیمیایی تهیه این سوختها شامل واکنش روغن و الکل در حضور یک کاتالیزور است، که منجربه تولید استر اسیدهای چرب میشود. بنابراین بیودیزلها استرهای مونوآلکیل اسیدهای با زنجیره بلند هستند.[5] از مزیت- های زیست محیطی سوخت بیودیزل وجود اکسیژن در ساختار آن است 10 - تا 12 درصد وزنی - ، که موجب احتراق کامل آن شده و از انتشار ذرات معلق کربن در هوا جلو گیری میکند، همچنین بیودیزل سوختی بدون گوگرد می باشدو اسیدسولفوریک تولید نمیکند. این نوع از سوختها از جنبههای تجزیه پذیری، جایگزینی سریع مواد اولیه و سازگاریهای زیست محیطی از اهمیت بالایی برخوردارند.
مزیت اصلی این سوخت ها در مقایسه با سوختهای مرسوم بالابودن عدد ستان - عدد ستان مشخص کننده چگونگی اشتعال آسان و یکنواختی احتراق است - ، قابلیت آن ها در کاهش آلودگیها به علت عدم وجود گوگرد و مقدار کم هیدروکربنهای واکنش نداده یا نسوخته است.وجود منابع متعدد تولید و عدم نیاز به تغییر زیاددر ساختار موتورهایی که از این سوختها استفاده میکنند، از مزایای دیگر این سوختها به شمار میرود. عمده ترین مشکلات در راه تهیه این سوختها مسائل اقتصادی و کسب مقبولیت بیشتر در بازار مصرف میباشد، که با اعمال روشهای نوین تولید برطرف خواهد گردید. این سوخت میتواند درموتورهای دیزل - اشتعال تراکمی - با اندکی تغییر و یا بدون تغییر و اصلاح در آن مورد استفاده قرار گیرد3]، 6 و .[7
بیودیزل،استر متیل اسید چرب2 است که درواکنش ترانس استریفیکاسیون3روغنهای گیاهی و با چربیهای حیوانی با الکل، در حضور کاتالیست تولید می گردد8] و .[9 به علت هزینه پایین و دسترسی آسان، معمولا متانول به عنوان الکل مورداستفاده در این فرآیند انتخاب می شود.[10] همچنین در حالت کلی برای تولید صنعتی بیودیزل از کاتالیستهای قلیایی واسیدی همگن از قبیل هیدروکسید سدیم4، اسید سولفوریک 5 و... استفاده می کنند.[11] اگر چه واکنش های کاتالیستهای قلیایی و اسیدی همگن در تولید بیودیزل بسیار سریع بوده و دارای بازده بالایی می باشند، اما عدم امکان استفاده مجدد ازکاتالیست و هزینههای بالاتر نسبت به سوختهای فسیلی مانع از جایگزینی این سوختها با سوختهای فسیلی شده است.[12]
ازطرفی دیگر واکنش ترانس استریفیکاسیون نسبت به اسید چرب آزاد 6 و آب بسیار حساس بوده و وجود این مواد در خوراک باعث واکنشهای نامطلوبی مثل هیدرولیز7 و صابونی شدن8
میشود، که بازده فرآیند تولید بیو دیزل را بشدت کاهش می- دهد. بنابراین، برای داشتن واکنشی با بازده بالا باید خوراکی عاری از آب و اسید چرب آزاد داشت، که این مورد نیز باعث افزایش هزینههای تولید بیو دیزل میشود. طبق گزارشات ارائه شده در مقالات مختلف، بیشترین هزینه تولید بیودیزل مربوط به خوراک اولیه آن می باشد13]و.[14 یکی از مهمترین مزایای بیودیزل زیست تجزیه پذیر بودن آن میباشد.
مزیت دیگر آن استفاده از آن در موتور دیزل بدون اینکه نیاز به ایجاد تغییر درساختار موتور است. همچنین کاهش انتشار گازهای گلخانهای نیز از برجستهترین ویژگیهای این سوخت نو به شمار میرود. ازسایر مزایای آن توان استقامت، قابلیت حمل، در دسترس بودن، حجم آروماتیک و سولفوری کمتر و قدرت احتراق بالای آن میتوان نام برد.[15] سوخت بیودیزل از نظر ساختار شیمیایی،روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی شامل مولکولهای تری-گلیسرید با سه زنجیره طولانی اسیدهای چرب میباشند، که این استرها به یک مولکول منفرد گلیسرین چسبیدهاند. به عبارت دیگر، روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی استرهای کربوکسیلیک مشتق شده از گلیسیرین های الکلی هستند، که به عنوان تری گلیسیرید شناخته میشوند.
این اسیدهای چرب دارای تفاوتهایی از لحاظ طول زنجیره کربنی، تعداد، جهت و موقعیت پیوندهای دوگانه در این زنجیرهها میباشند. بنابراین، بیودیزل به آلکیل استرهای سبکتر با زنجیره طولانی اسیدهای چرب آزاد گفته میشود، که بوسیله ترانس استریفیکاسیون با الکل های سبکتر یا از طریق استریفیکاسیون اسیدهای چرب با یکدیگر ترکیب شدهاند.[16]چربیهای حیوانی و روغنهای گیاهی را میتوان با سوخت پترودیزل مخلوط نموده تا گرانروی آن اندکی کاهش یابد، ولی با افزایش نسبت روغن به سوخت پترودیزل، مصرف سوخت افزایش می یابد. نکته دیگری که باید در رابطه با نسبت مخلوط در نظر گرفته شود، پایداری مخلوط در دمای محیط است.[17]
سه روش مهم تولید بیودیزل عبارتند از میکرو امولسیون9، ترانس استریفیکاسیون 10 و پیرولیزیز.[18]11 از بین روشهای ترانس استریفیکاسیون، پیرولیز و میکرو امولسیون، در این تحقیق از روش ترانس استریفیکاسیون به خاطر مزایا و برتریهای آن استفاده شد. پزوهشهای انجام شده ترانس استریفیکاسیون راندمان تولید بالایی داشته، و این روش، روش معمولتری است و در کارخانجات تولید بیودیزل در کشورهای مختلف از این روش استفاده میشود - قانعی ،19 . - 1390 کاتالیزورهای مورد استفاده در تولید بیودیزل کاتالیزورهای اسیدی و بازی است که بر اساس نوع خوراک انتخاب میشوند. کاتالیزورهای اسیدی و بازی باعث سریعتر شدن واکنش و بهبود کیفیت بیودیزل میشوند، کاتالیزور بازی بر نوع اسیدی آن ترجیح داده میشوند، زیرا می-توانند واکنش را با سرعت بیشتری به پایان برسانند و نیاز به دمای کمتری برای واکنش دارد و درصد تبدیل آن نسبت به کاتالیزورهای اسیدی بیشتر است.[20]
کاتالیزورهای بازی معمولا به دو بخش تقسیم میشوند: کاتالیزورهای بازی همگن، کاتالیزورهای بازی ناهمگن. انواع مختلفی از کاتالیزورهای بازی همگن در فرآیند تولید بیو دیزل استفاده میشوند، که برخی از متداولترین آنها هیدروکسید سدیم، متوکسید سدیم، موتوکسید پتاسیم می باشند. هیدروکسید سدیم به علت قیمت کمتر و تشکیل امولسیون کمتر و سهولت جداسازی گلیسرین نسبت به هیدروکسید پتاسیم به عنوان کاتالیزور ترجیح داده می-شود.[21] کاتالیزورهای همگن بسیار موثر عمل میکنند و بارها مورد استفاده قرار گرفتهاند، اما مشکلی که در استفاده از این نوع کاتالیزور وجود دارد این است که این کاتالیزورها با متیل استر ترکیب میشوند و جدا کردن آنها نیاز به شستشوی زیادی دارد.
برای این کار انرژی، زمان و آب زیادی مصرف می شود و علاوه بر این کاتالیستها دوباره مورد استفاده قرار نمیگیرند. اما کاتالیزورهای ناهمگن بازی به دلیل جامد بودن، در متیل استرحل نمی شوند و جداسازی و فیلتر کردن آنها به آسانی انجام میگیرد و همچنین آن را میتوان دوباره مورد استفاده قرار داد. معمولا از اکسیدهای فلزات قلیایی خاکی و زئولیتها برای ساخت این کاتالیزورها استفاده میشود، در بین کاتالیزورهای جامد اکسید باریم - BaO - کمترین زمان واکنش و اکسید منیزیم - MgO - بیشترین زمان واکنش را دارا است..[22]
تولی و همکاران در سال 2010 اثر تولید بیودیزل از کاتالیست ناهمگن را مورد بررسی قرارددادند و اذعان داشتند تولید بیودیزل با استفاده از کاتالیستهای ناهمگن به این دلیل که سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند و نیازی به آب برای شستشو ندارند و جداسازی محصولات در آن فرایندها به راحتی انجام می شود، با اقبال بیشتری روبرو میباشد - Tuli et al,23 .2010 - دراین بررسی برای تولیدبیودیزل ازپیه گاو، ازکاتالیست اکسید باریم و متانول استفاده شد. برای انجام این کار، اثر پارامترهای مختلفی چون نسبت متانول به روغن، دمای واکنش، زمان واکنش و غلظت کاتالیست به کارگرفته بر بازدهی بیودیزل بررسی شد. پس از تولیدبیودیزل از پیه گاو، خواص آن براساس استاندارد بین المللی ASTM D-6751 مورد بررسی قرار گرفت.
بخش تجربی
-2 مواد و روش کار
-1-2مواد پیه گاوی مورد استفاده در این پژوهش از پردههای چرب
اطراف شکم گاو که رنگ بسیار شفاف دارد و بدون ناخالصی های گوشتی است از کشتارگاه بزرگ دام شیرازتهیه شد. کاتالیزور مورد استفاده در این پژوهش باریم اکسید با جرم مولکولی 153/326 - گرم بر مول - ، دانسیته 5/72 - گرم بر سانتی متر مکعب - ، نقطه جوش 2000 درجه سانتیگراد و با خلوص % 99/9 از شرکت Merk آلمان خریداری و مورد استفاده قرار
