Préparation assistée par ultrasons de produits biodiesel à partir d’huiles végétales

Résumé

Une méthode sûre de transestérification assistée par ultrasons pour les huiles végétales à l’aide d’un catalyseur alcalin est présentée ici. La méthode est rapide et efficace pour la préparation de produits de biodiesel pur.

Résumé

En utilisant l’huile végétale comme matière première durable, cette étude présente une approche innovante de la transestérification assistée par ultrasons pour la synthèse du biodiesel. Cette procédure catalysée par l’alcalinisme exploite les ultrasons comme un puissant apport d’énergie, facilitant la conversion rapide de l’huile d’olive extra vierge en biodiesel. Dans cette démonstration, la réaction est exécutée dans un bain à ultrasons dans des conditions ambiantes pendant 15 min, nécessitant un rapport molaire de 1:6 d’huile d’olive extra vierge par rapport au méthanol et une quantité minimale de KOH comme catalyseur. Les propriétés physicochimiques du biodiesel sont également rapportées. Mettant l’accent sur les avantages remarquables de la transestérification assistée par ultrasons, cette méthode démontre des réductions notables des temps de réaction et de séparation, atteignant une pureté presque parfaite (~100%), des rendements élevés et une production de déchets négligeable. Il est important de noter que ces avantages sont obtenus dans un cadre qui privilégie la sécurité et la durabilité environnementale. Ces résultats convaincants soulignent l’efficacité de cette approche dans la conversion de l’huile végétale en biodiesel, ce qui la positionne comme une option viable pour la recherche et les applications pratiques.

Introduction

Le biodiesel, dérivé d’huiles et de graisses végétales courantes, apparaît comme une solution durable pour réduire la dépendance au pétrole¹. Ce substitut renouvelable permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre, notamment de dioxyde de carbone, tout en s’appuyant sur des ressources durables. De plus, le biodiesel présente des avantages distincts par rapport au diesel à base de pétrole, caractérisé par sa composition sans soufre, sa nature non toxique et sa biodégradabilité. En tant qu’alternative aux combustibles fossiles conventionnels, le biodiesel s’aligne sur la politique Net Zero des Nations Unies (ONU) en réduisant notre dépendance aux combustibles fossiles non renouvelables et en atténuant les effets néfastes du changement climatique. Le biodiesel offre une voie prometteuse pour répondre aux besoins énergétiques actuels, ce qui en fait un choix puissant pour un avenir plus vert².

La méthode prédominante utilisée pour la production de biodiesel implique la transestérification, un processus chimique où les triglycérides présents dans les huiles et les graisses réagissent avec un alcool, généralement du méthanol ou de l’éthanol, en présence d’un catalyseur dans des conditions de température élevée 1,2,3,4. Cette réaction produit des esters alkyliques d’acides gras, le principal composant du biodiesel. Divers types d’huiles végétales servent de matières premières primaires pour la production de biodiesel, y compris les huiles comestibles⁵ (par exemple, l’huile d’olive extra vierge et l’huile de maïs) et les huiles non comestibles^{6, 7, 8} (par exemple, l’huile de câpres), ainsi que les huiles usagées⁹. Le méthanol est le plus souvent utilisé pour ce processus de transestérification car il s’agit d’un alcool relativement peu coûteux. De plus, un ensemble de catalyseurs tels que l’acide sulfurique, l’acide phosphorique, l’hydroxyde de potassium, l’hydroxyde de sodium ou des enzymes comme la lipase peuvent être utilisés pour accélérer le processus de transestérification 1,2,3,4. Traditionnellement, le mélange réactionnel est chauffé sous reflux pendant des périodes prolongées, généralement 30 minutes ou plus. Le chauffage n’est pas aussi économe en énergie que les ultrasons tout en présentant des risques pour la sécurité⁵. Par conséquent, il est nécessaire de disposer d’un processus de transestérification plus sûr, plus rapide et plus économe en énergie.

L’irradiation par ultrasons apparaît comme une alternative supérieure aux sources d’énergie conventionnelles telles que la chaleur, la lumière et l’électricité, principalement en raison du phénomène de cavitation acoustique¹⁰. Ce phénomène, caractérisé par la formation, l’expansion et l’effondrement violent de bulles, générant des points chauds localisés avec des températures atteignant environ 5000 K et des pressions de 1000 atm. De telles conditions extrêmes, associées à des vitesses de chauffage et de refroidissement rapides (supérieures à 10¹⁰ K/s), fournissent l’énergie nécessaire pour qu’un large éventail de réactions chimiques se produisent efficacement à température ambiante, y compris celles qui étaient auparavant considérées comme inaccessibles par des moyens conventionnels¹⁰. La synthèse assistée par ultrasons gagne rapidement du terrain dans divers domaines de recherche. Notamment, l’intérêt pour la synthèse assistée par ultrasons dans la synthèse organique et les matériaux à l’état solide est motivé par sa nature respectueuse de l’environnement, son efficacité énergétique et ses temps de réaction abrégés dans des conditions ambiantes 5,11,12,13,14,15,16 . Une technique rapide et efficace est introduite ici pour la transestérification sécurisée assistée par ultrasons des huiles végétales à l’aide d’un catalyseur alcalin, produisant des produits de biodiesel purs dans un court laps de temps. Bien que l’huile d’olive extra vierge serve de milieu de démonstration dans cette étude, il est impératif de noter que la méthode par ultrasons est applicable à un spectre d’huiles végétales ^5,17.

Protocole

1. Source et préparation de l’huile

1. Ajoutez 2,0 ml de méthanol de qualité HPLC dans un tube à centrifuger de 15 ml.
   ATTENTION : Le méthanol est un liquide hautement inflammable. Il est toxique s’il est avalé, en contact avec la peau ou s’il est inhalé, et il cause des dommages aux yeux. Assurez-vous de porter un équipement de protection individuelle (EPI) lorsque vous travaillez avec du méthanol et utilisez-le dans la hotte.
2. Ajoutez une pastille de KOH (~0,10 g) dans le tube à centrifuger et dissolvez le solide KOH à l’aide du nettoyeur à ultrasons (40 kHz) en allumant simplement l’ultrasonique.
   ATTENTION : KOH est nocif en cas d’ingestion. Il provoque de graves brûlures de la peau, des lésions oculaires et des lésions oculaires graves. Assurez-vous de porter un EPI lorsque vous travaillez avec cette substance.
   REMARQUE : Pour des résultats optimaux, placez le tube de centrifugation dans un bécher rempli d’eau, puis positionnez le bécher dans le bain à ultrasons. Cette configuration immergée garantit une exposition complète du mélange réactionnel à l’irradiation par ultrasons, maximisant ainsi son efficacité.

2. Processus de transestérification

1. Ajouter 8,0 ml d’huile d’olive extra vierge dans le tube de centrifugation.
2. Fermez et fermez bien le tube de centrifugation et secouez vigoureusement le tube de centrifugation pour mélanger l’huile et la solution de méthoxyde de potassium.
   REMARQUE : Gardez le capuchon de la centrifugeuse bien serré lorsque vous secouez le tube de centrifugation.
3. Desserrez le capuchon et placez le tube à centrifuger dans le bain à ultrasons. Allumez le bain à ultrasons pendant 1 min.
4. Après 1 première minute, fermez bien le bouchon de la centrifugeuse et secouez à nouveau vigoureusement le tube de centrifugation.
5. Desserrez le capuchon et mettez le mélange réactionnel dans le bain à ultrasons pendant encore 14 min.
6. Transférez le mélange réactionnel dans un entonnoir séparateur et égouttez la couche inférieure de glycérine.
7. Laver la couche supérieure avec 15 mL de solution saturée de NaCl 3x, pour éliminer l’excès de méthanol et de catalyseur résiduel de l’ester. Assurez-vous que le pH du lavage final est neutre en testant avec un papier pH.
8. Transférez la couche supérieure de biodiesel dans un flacon sec et propre, ajoutez du Na₂SO₄ anhydre dans le flacon, faites tourner le mélange et laissez reposer le mélange pendant environ 15 minutes jusqu’à ce que le biodiesel soit clair. Utiliser le produit de biodiesel transparent pour la caractérisation.

3. Caractérisation du biodiesel

1. Analyse infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR)
   1. Enregistrez les spectres FT-IR sur une large plage de 4000 à 400 ^cm-1. Mesurez chaque échantillon en co-ajoutant 16 balayages à une résolution de 4 ^cm-1. Effectuez une soustraction de l’arrière-plan en acquérant un spectre d’air frais avant chaque balayage d’échantillon. Il s’agit d’assurer une correction précise de la ligne de base et de minimiser la contamination de l’échantillon. Avant chaque nouvel échantillon, nettoyez la plaque ATR avec du méthanol puis séchez-la avec des lingettes non pelucheuses.
2. Analyse par résonance magnétique nucléaire des protons (RMN ¹H)
   1. Pour analyser la composition chimique du produit de biodiesel, enregistrez les spectres de résonance magnétique nucléaire (RMN) du biodiesel et de l’huile d’olive extra vierge sur un spectromètre RMN de 500 MHz à température ambiante. À l’aide d’une sonde à double gradient haute résolution de 5 mm, préparer chaque échantillon en dissolvant 50 mg de l’échantillon dans 0,7 mL de chloroforme deutéré (CDCl₃) contenant 0,05 % de tétraméthylsilane (TMS) comme étalon interne. Acquérez des spectres RMN ¹H à l’aide du programme TOPSPIN avec 16 balayages et référencés à la norme TMS à 0,0 ppm.
      ATTENTION : Le CDCl₃ est nocif en cas d’ingestion et toxique en cas d’inhalation. Il provoque une irritation de la peau et une irritation oculaire grave. Portez un EPI lorsque vous travaillez avec cette substance.
3. Analyse de viscosité
   1. Préparez deux pipettes Pasteur en verre de 5,75 pouces et une pompe à pipette.
   2. Faites deux marques sur chaque pipette avec un stylo. La marque supérieure se trouve sur le corps de la pipette et la deuxième marque se trouve sur la tige étroite, à environ 2 cm de la pointe.
   3. À l’aide d’une pompe à pipette, remplissez la pipette d’huile d’olive extra vierge avec le ménisque en haut.
   4. Retirez la pompe de la pipette et démarrez le chronomètre. Arrêtez le chronomètre pendant que l’huile d’olive extra vierge atteint la marque inférieure.
   5. Répétez les étapes 3.3.3 et 3.3.4 avec du biodiesel au lieu de l’huile d’olive extra vierge.
   6. Déterminez les viscosités relatives du biodiesel par rapport à l’huile d’olive extra vierge en chronométrant leur passage à l’aide d’une pipette en verre.
      Viscosité relative = (temps d’huile)/(temps de biodiesel).
4. Essais d’inflammabilité
   1. Plongez une ficelle de coton d’environ 2 cm de long dans du biodiesel et une autre ficelle de coton dans de l’huile d’olive extra vierge. Assurez-vous de la saturation complète de la corde avec le liquide correspondant. Placez les cordes de coton enduites sur du papier d’aluminium.
   2. Dans une zone de laboratoire désignée, à l’abri des solvants inflammables, évaluez la facilité d’allumage de chaque fil de coton et observez la qualité de la flamme produite. Déterminez si une corde de coton s’enflamme plus facilement que l’autre. Évaluez quel liquide présente des capacités d’évacuation de l’humidité supérieures et lequel soutient une combustion plus forte.

Résultats

Dans cette démonstration, la réaction de transestérification de l’huile d’olive extra vierge et du méthanol, catalysée par le KOH, produit du biodiesel à température ambiante dans un bain à ultrasons (Figure 1)⁵. Les matériaux de départ dans le tube de centrifugation montrent que les réactifs sont non miscibles et divisés en deux couches, comme le montre la figure 2A. La couche supérieure est un mélange de méthanol et d...

Discussion

Dans cette démonstration, une méthode assistée par ultrasons de production de biodiesel catalysée par une base est élucidée pour une efficacité optimale. Pour des résultats optimaux, le tube de centrifugation doit être placé à l’intérieur d’un bécher rempli d’eau, puis le bécher doit être placé dans le bain à ultrasons. Cette configuration immergée garantit une exposition complète du mélange réactionnel au traitement par ultrasons, maximisant ainsi son efficacité. Si vous le souhaitez, un supp...

matériels

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.