إعداد بمساعدة الموجات فوق الصوتية من منتجات وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية

Summary

يتم تقديم طريقة transesterification آمنة بمساعدة الموجات فوق الصوتية للزيوت النباتية باستخدام محفز قلوي هنا. هذه الطريقة سريعة وفعالة لإعداد منتجات الديزل الحيوي النقي.

Abstract

باستخدام الزيوت النباتية كمادة وسيطة مستدامة ، تقدم هذه الدراسة نهجا مبتكرا للأسترة العابرة بمساعدة الموجات فوق الصوتية لتخليق وقود الديزل الحيوي. يسخر هذا الإجراء المحفز بالقلوية الموجات فوق الصوتية كمدخل طاقة قوي ، مما يسهل التحويل السريع لزيت الزيتون البكر الممتاز إلى وقود الديزل الحيوي. في هذا العرض التوضيحي ، يتم تشغيل التفاعل في حمام بالموجات فوق الصوتية في ظل الظروف المحيطة لمدة 15 دقيقة ، مما يتطلب نسبة مولار 1: 6 من زيت الزيتون البكر الممتاز إلى الميثانول والحد الأدنى من KOH كمحفز. كما تم الإبلاغ عن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للديزل الحيوي. مع التأكيد على المزايا الرائعة للأسترة العابرة بمساعدة الموجات فوق الصوتية ، توضح هذه الطريقة تخفيضات ملحوظة في أوقات التفاعل والفصل ، وتحقيق نقاء شبه مثالي (~ 100٪) ، وعوائد عالية ، وتوليد نفايات ضئيلة. والأهم من ذلك ، يتم تحقيق هذه الفوائد في إطار يعطي الأولوية للسلامة والاستدامة البيئية. تؤكد هذه النتائج المقنعة على فعالية هذا النهج في تحويل الزيت النباتي إلى وقود الديزل الحيوي ، مما يجعله خيارا قابلا للتطبيق لكل من البحث والتطبيقات العملية.

Introduction

يظهر وقود الديزل الحيوي ، المشتق من الزيوت والدهون النباتية الشائعة ، كحل مستدام لتخفيف الاعتماد على البترول¹. يعرض هذا البديل المتجدد انبعاثات غازات الدفيئة المنخفضة ، ولا سيما ثاني أكسيد الكربون ، مع الاعتماد على الموارد المستدامة. علاوة على ذلك ، يقدم وقود الديزل الحيوي مزايا واضحة على الديزل البترولي ، الذي يتميز بتكوينه الخالي من الكبريت ، وطبيعته غير السامة ، وقابليته للتحلل البيولوجي. كبديل للوقود الأحفوري التقليدي ، يتوافق وقود الديزل الحيوي مع سياسة الأمم المتحدة (UN) صافي الصفر من خلال تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري غير المتجدد والتخفيف من الآثار الضارة لتغير المناخ. يوفر وقود الديزل الحيوي مسارا واعدا لتلبية احتياجات الطاقة الحالية ، مما يجعله خيارا قويا لمستقبل أكثر اخضرارا².

تتضمن الطريقة السائدة المستخدمة لإنتاج وقود الديزل الحيوي الأسترة التبادلية ، وهي عملية كيميائية تتفاعل فيها الدهون الثلاثية الموجودة في الزيوت والدهون مع الكحول ، عادة الميثانول أو الإيثانول ، في وجود محفز تحت ظروف درجات الحرارة المرتفعة^1،2،3،4. ينتج عن هذا التفاعل استرات ألكيل الأحماض الدهنية ، المكون الرئيسي للديزل الحيوي. تعمل أنواع مختلفة من الزيوت النباتية كمواد أولية لإنتاج وقود الديزل الحيوي ، بما في ذلك كل من^{5 الصالحة} للأكل (مثل زيت الزيتون البكر الممتاز وزيت الذرة) والزيوت غير الصالحة للأكل^6،7،8 (مثل زيت بذور الكبر) ، وكذلك نفايات^{الزيوت 9}. يستخدم الميثانول بشكل شائع في عملية الأسترة التبادلية هذه لأنه كحول غير مكلف نسبيا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مجموعة من العوامل الحفازة مثل حمض الكبريتيك أو حمض الفوسفوريك أو هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم أو إنزيمات مثل الليباز لتسريع عملية الأسترة العابرة^1،2،3،4. تقليديا ، يتم تسخين خليط التفاعل تحت الارتجاع لفترات طويلة ، عادة 30 دقيقة أو أكثر. التدفئة ليست موفرة للطاقة مثل الموجات فوق الصوتية في حين تشكل أيضا مخاطر السلامة⁵. وبالتالي ، هناك حاجة إلى عملية أسترة أكثر أمانا وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

يظهر التشعيع بالموجات فوق الصوتية كبديل متفوق لمصادر الطاقة التقليدية مثل الحرارة والضوء والكهرباء ، ويرجع ذلك أساسا إلى ظاهرة التجويف الصوتي¹⁰. تتميز هذه الظاهرة بتكوين الفقاعات وتمددها وانهيارها العنيف ، مما يولد نقاط ساخنة محلية تصل درجات الحرارة إلى حوالي 5000 كلفن وضغوط 1000 ضغط جوي. توفر هذه الظروف القاسية ، إلى جانب معدلات التسخين والتبريد السريعة (أكثر من 10¹⁰ K / s) ، الطاقة اللازمة لمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية لتحدث بكفاءة في درجة حرارة الغرفة ، بما في ذلك تلك التي كانت تعتبر في السابق غير قابلة للتحقيق بالوسائل التقليدية¹⁰. التوليف بمساعدة الموجات فوق الصوتية يكتسب بسرعة الأرض عبر مجالات بحثية متنوعة. والجدير بالذكر أن الاهتمام بالتوليف بمساعدة الموجات فوق الصوتية في التخليق العضوي ومواد الحالة الصلبة مدفوع بطبيعته الصديقة للبيئة وكفاءة الطاقة وأوقات التفاعل المختصرة في ظل الظروف المحيطة^{5،11،12،13،14،15،16}. يتم تقديم تقنية سريعة وفعالة هنا للأسترة الآمنة بمساعدة الموجات فوق الصوتية للزيوت النباتية باستخدام محفز قلوي ينتج منتجات وقود الديزل الحيوي النقي في إطار زمني قصير. في حين أن زيت الزيتون البكر الممتاز بمثابة وسيلة توضيحية في هذه الدراسة ، فمن الضروري ملاحظة أن طريقة الموجات فوق الصوتية تحمل قابلية التطبيق على مجموعة من الزيوت النباتية ^5,17.

Protocol

1. مصدر النفط وإعداده

1. أضف 2.0 مل من الميثانول من فئة HPLC إلى أنبوب طرد مركزي سعة 15 مل.
   تنبيه: الميثانول سائل شديد الاشتعال. إنه سام إذا تم ابتلاعه أو ملامسته للجلد أو إذا تم استنشاقه ويسبب ضررا للعينين. تأكد من ارتداء معدات الحماية الشخصية (PPE) عند العمل مع الميثانول واستخدامها في غطاء الدخان.
2. أضف حبة واحدة من KOH (~ 0.10 جم) إلى أنبوب الطرد المركزي وقم بإذابة مادة KOH الصلبة باستخدام منظف الموجات فوق الصوتية (40 كيلو هرتز) بمجرد تشغيل الموجات فوق الصوتية.
   تنبيه: KOH ضار إذا تم ابتلاعه. يسبب حروقا شديدة في الجلد وتلفا في العين وتلفا خطيرا في العين. تأكد من ارتداء معدات الوقاية الشخصية عند العمل مع هذه المادة.
   ملاحظة: للحصول على أفضل النتائج ، ضع أنبوب الطرد المركزي داخل دورق مملوء بالماء ثم ضع الدورق داخل الحمام بالموجات فوق الصوتية. يضمن هذا التكوين المغمور التعرض الشامل لخليط التفاعل للإشعاع بالموجات فوق الصوتية ، مما يزيد من فعاليته.

2. عملية الأسترة العابرة

1. أضف 8.0 مل من زيت الزيتون البكر الممتاز إلى أنبوب الطرد المركزي.
2. قم بتغطية وإغلاق أنبوب الطرد المركزي بإحكام وهز أنبوب الطرد المركزي بقوة لخلط الزيت ومحلول ميثوكسيد البوتاسيوم.
   ملاحظة: حافظ على غطاء جهاز الطرد المركزي مشدودا عند هز أنبوب الطرد المركزي.
3. قم بفك الغطاء ووضع أنبوب الطرد المركزي في الحمام بالموجات فوق الصوتية. بدوره على حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 1 دقيقة.
4. بعد أول 1 دقيقة ، أغلق غطاء جهاز الطرد المركزي بإحكام وهز أنبوب الطرد المركزي بقوة مرة أخرى.
5. قم بفك الغطاء ووضع خليط التفاعل في الحمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 14 دقيقة أخرى.
6. انقل خليط التفاعل إلى قمع منفصل واستنزاف طبقة الجليسرين السفلية.
7. اغسل الطبقة العليا ب 15 مل من محلول كلوريد الصوديوم المشبع 3x ، لغسل الميثانول الزائد والمحفز المتبقي من الإستر. تأكد من أن الرقم الهيدروجيني للغسيل النهائي محايد عن طريق الاختبار باستخدام ورق الأس الهيدروجيني.
8. انقل طبقة وقود الديزل الحيوي العلوية إلى قنينة جافة ونظيفة ، وأضف Na₂SO₄ اللامائي إلى القارورة ، وقم بتدوير الخليط ، واترك الخليط لمدة 15 دقيقة حتى يصبح وقود الديزل الحيوي صافيا. استخدم منتج الديزل الحيوي الشفاف للتوصيف.

3. توصيف وقود الديزل الحيوي

1. تحليل الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FT-IR)
   1. سجل أطياف FT-IR عبر نطاق واسع من 4000-400 سم ^-1. قم بقياس كل عينة عن طريق المشاركة في إضافة 16 عملية مسح ضوئي بدقة 4 سم ^-1. قم بإجراء الطرح في الخلفية عن طريق الحصول على طيف هواء نقي قبل كل مسح للعينة. هذا لضمان تصحيح خط الأساس بدقة وتقليل تلوث العينة. قبل كل عينة جديدة ، نظف لوحة ATR باستخدام الميثانول ثم جففها بمناديل خالية من النسالة.
2. تحليل الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (¹H NMR)
   1. لتحليل التركيب الكيميائي لمنتج وقود الديزل الحيوي ، سجل أطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) للديزل الحيوي وزيت الزيتون البكر الممتاز على مطياف الرنين المغناطيسي النووي 500 ميجاهرتز في درجة حرارة الغرفة. باستخدام مسبار التدرج المزدوج عالي الدقة 5 مم ، قم بإعداد كل عينة عن طريق إذابة 50 مجم من العينة في 0.7 مل من الكلوروفورم المثبط (_{CDCl 3}) الذي يحتوي على 0.05٪ رباعي ميثيل سيلان (TMS) كمعيار داخلي. احصل على ^{أطياف 1}H NMR باستخدام برنامج TOPSPIN مع 16 عملية مسح ضوئي والإشارة إلى معيار TMS عند 0.0 جزء في المليون.
      تنبيه: CDCl₃ ضار إذا تم ابتلاعه وسام إذا تم استنشاقه. يسبب تهيج الجلد وتهيج العين الخطير. ارتداء معدات الوقاية الشخصية عند العمل مع هذه المادة.
3. تحليل اللزوجة
   1. قم بإعداد ماصات باستور زجاجية مقاس 5.75 بوصة ومضخة ماصة واحدة.
   2. اصنع علامتين على كل ماصة بقلم. العلامة العلوية على جسم الماصة ، والعلامة الثانية على الجذع الضيق ، على ارتفاع حوالي 2 سم من الحافة.
   3. استخدم مضخة ماصة لملء الماصة بزيت الزيتون البكر الممتاز مع الغضروف المفصلي في أعلى علامة.
   4. قم بإزالة مضخة الماصة وابدأ ساعة التوقيت. أوقف ساعة الإيقاف عندما يصل زيت الزيتون البكر الممتاز إلى العلامة السفلية.
   5. كرر الخطوتين 3.3.3 و 3.3.4 مع منتج الديزل الحيوي بدلا من زيت الزيتون البكر الممتاز.
   6. تحديد اللزوجة النسبية للديزل الحيوي مقابل زيت الزيتون البكر الممتاز عن طريق توقيت مرورها عبر ماصة زجاجية.
      اللزوجة النسبية = (وقت الزيت) / (وقت الديزل الحيوي).
4. اختبارات القابلية للاشتعال
   1. اغمر خيطا قطنيا يبلغ طوله حوالي 2 سم في وقود الديزل الحيوي وخيطا قطنيا آخر في زيت الزيتون البكر الممتاز. تأكد من التشبع الكامل للسلسلة مع السائل المعني. ضع خيوط القطن المطلي على ورق الألمنيوم.
   2. في منطقة مختبر مخصصة ، بعيدا عن المذيبات القابلة للاشتعال ، قم بتقييم سهولة إشعال كل خيط قطني ومراقبة جودة اللهب الناتج. حدد ما إذا كان أحد خيوط القطن يشتعل بسهولة أكبر من الآخر. قم بتقييم السائل الذي يظهر قدرات فتل فائقة وأيها يحافظ على حرق أقوى.

النتائج

في هذا العرض التوضيحي ، ينتج تفاعل الأسترة التبادلية لزيت الزيتون البكر الممتاز والميثانول ، الذي تحفزه KOH ، وقود الديزل الحيوي في درجة حرارة الغرفة في حمام بالموجات فوق الصوتية (الشكل 1)⁵. توضح المواد الأولية في أنبوب الطرد المركزي أن المواد المتفاعلة غير قابل...

Discussion

في هذا العرض التوضيحي ، يتم توضيح طريقة بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإنتاج وقود الديزل الحيوي المحفز بالقاعدة لتحقيق الفعالية المثلى. للحصول على أفضل النتائج ، يجب وضع أنبوب الطرد المركزي داخل دورق مملوء بالماء ثم يجب وضع الدورق داخل الحمام بالموجات فوق الصوتية. يضمن هذا التكوين المغمور ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chloroform-d	Fisher Scientific	865-49-6	• Harmful if swallowed. • Causes skin irritation. • Causes serious eye irritation. • Toxic if inhaled. • Suspected of causing cancer. • Suspected of damaging fertility or the unborn child. • Causes damage to organs through prolonged or repeated exposure
Heated Ultrasonic Baths, Digital, Branson Ultrasonic	Branson	89375-492
Methanol	Fisher Scientific Company	67-56-1	Highly flammable liquid and vapor. Toxic if swallowed, in contact with skin or if inhaled. Causes damage to organs (Eyes).
Potassium hydroxide	Fisher Scientific Company	1310-58-3	May be corrosive to metals. Harmful if swallowed. Causes severe skin burns and eye damage. Causes serious eye damage
Sodium chloride	Sigma-Aldrich	7647-14-5	Not hazardous
Vegetable oils			A commonly consumed food with a long history of safe use in pesticides.