Preparazione assistita da ultrasuoni di prodotti biodiesel da oli vegetali

Riepilogo

Qui viene presentato un metodo sicuro di transesterificazione assistita da ultrasuoni per oli vegetali utilizzando un catalizzatore alcalino. Il metodo è rapido ed efficiente per la preparazione di prodotti a base di biodiesel puro.

Abstract

Utilizzando l'olio vegetale come materia prima sostenibile, questo studio presenta un approccio innovativo alla transesterificazione assistita da ultrasuoni per la sintesi del biodiesel. Questa procedura catalizzata da alcali sfrutta gli ultrasuoni come potente input di energia, facilitando la rapida conversione dell'olio extra vergine di oliva in biodiesel. In questa dimostrazione, la reazione viene eseguita in un bagno ultrasonico in condizioni ambientali per 15 minuti, richiedendo un rapporto molare di 1:6 tra olio extra vergine di oliva e metanolo e una quantità minima di KOH come catalizzatore. Vengono inoltre riportate le proprietà fisico-chimiche del biodiesel. Sottolineando i notevoli vantaggi della transesterificazione assistita da ultrasuoni, questo metodo dimostra notevoli riduzioni dei tempi di reazione e di separazione, raggiungendo una purezza quasi perfetta (~100%), rese elevate e una generazione di rifiuti trascurabile. È importante sottolineare che questi benefici sono raggiunti all'interno di un quadro che dà priorità alla sicurezza e alla sostenibilità ambientale. Questi risultati convincenti sottolineano l'efficacia di questo approccio nella conversione dell'olio vegetale in biodiesel, posizionandolo come un'opzione praticabile sia per la ricerca che per le applicazioni pratiche.

Introduzione

Il biodiesel, derivato da oli e grassi comuni di origine vegetale, emerge come una soluzione sostenibile per mitigare la dipendenza dal petrolio¹. Questo sostituto rinnovabile consente di ridurre le emissioni di gas serra, in particolare di anidride carbonica, facendo affidamento su risorse sostenibili. Inoltre, il biodiesel presenta vantaggi distinti rispetto al diesel di petrolio, caratterizzato da una composizione priva di zolfo, dalla natura non tossica e dalla biodegradabilità. Come alternativa ai combustibili fossili convenzionali, il biodiesel si allinea alla politica Net Zero delle Nazioni Unite (ONU), riducendo la nostra dipendenza dai combustibili fossili non rinnovabili e mitigando gli effetti negativi del cambiamento climatico. Il biodiesel offre un percorso promettente per soddisfare l'attuale fabbisogno energetico, rendendolo una scelta potente per un futuro più verde².

Il metodo predominante utilizzato per la produzione di biodiesel prevede la transesterificazione, un processo chimico in cui i trigliceridi presenti negli oli e nei grassi reagiscono con un alcol, tipicamente metanolo o etanolo, in presenza di un catalizzatore in condizioni di temperatura elevata 1,2,3,4. Questa reazione produce esteri alchilici degli acidi grassi, il componente principale del biodiesel. Vari tipi di oli vegetali fungono da materie prime primarie per la produzione di biodiesel, tra cui sia gli oli commestibili⁵ (ad esempio, l'olio extra vergine di oliva e l'olio di mais) che gli oli non commestibili ^6,7,8 (ad esempio, l'olio di semi di cappero), nonché gli oli usati⁹. Il metanolo è più comunemente usato per questo processo di transesterificazione in quanto è un alcol relativamente economico. Inoltre, una serie di catalizzatori come l'acido solforico, l'acido fosforico, l'idrossido di potassio, l'idrossido di sodio o enzimi come la lipasi possono essere utilizzati per accelerare il processo di transesterificazione 1,2,3,4. Tradizionalmente, la miscela di reazione viene riscaldata a riflusso per periodi prolungati, in genere 30 minuti o più. Il riscaldamento non è efficiente dal punto di vista energetico come gli ultrasuoni, ma comporta anche rischi per la sicurezza⁵. Di conseguenza, è necessario un processo di transesterificazione più sicuro, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.

L'irradiazione ad ultrasuoni emerge come un'alternativa superiore alle fonti di energia convenzionali come il calore, la luce e l'elettricità, principalmente a causa del fenomeno della cavitazione acustica¹⁰. Questo fenomeno, caratterizzato dalla formazione, espansione e collasso violento di bolle, genera hotspot localizzati con temperature che raggiungono circa 5000 K e pressioni di 1000 atm. Tali condizioni estreme, abbinate a velocità di riscaldamento e raffreddamento rapide (oltre^10-10 K/s), forniscono l'energia necessaria per un'ampia gamma di reazioni chimiche per avvenire in modo efficiente a temperatura ambiente, comprese quelle precedentemente ritenute irraggiungibili con mezzi convenzionali¹⁰. La sintesi assistita da ultrasuoni sta rapidamente guadagnando terreno in diverse aree di ricerca. In particolare, l'interesse per la sintesi assistita da ultrasuoni nella sintesi organica e nei materiali allo stato solido è guidato dalla sua natura ecologica, dall'efficienza energetica e dai tempi di reazione ridotti in condizioni ambientali 5,11,12,13,14,15,16 . Qui viene introdotta una tecnica rapida ed efficace per la transesterificazione sicura assistita da ultrasuoni di oli vegetali utilizzando un catalizzatore alcalino che produce prodotti biodiesel puri in un breve lasso di tempo. Sebbene l'olio extra vergine di oliva funga da mezzo dimostrativo in questo studio, è imperativo notare che il metodo ultrasonico è applicabile a uno spettro di oli vegetali ^5,17.

Protocollo

1. Fonte e preparazione dell'olio

1. Aggiungere 2,0 mL di metanolo di grado HPLC in una provetta da centrifuga da 15 mL.
   ATTENZIONE: Il metanolo è un liquido altamente infiammabile. È tossico se ingerito, a contatto con la pelle o inalato e provoca danni agli occhi. Assicurarsi di indossare dispositivi di protezione individuale (DPI) quando si lavora con il metanolo e di utilizzarli nella cappa aspirante.
2. Aggiungere un pellet di KOH (~0,10 g) alla provetta da centrifuga e sciogliere il solido KOH utilizzando il pulitore a ultrasuoni (40 kHz) semplicemente accendendo gli ultrasuoni.
   ATTENZIONE: Il KOH è dannoso se ingerito. Provoca gravi ustioni cutanee, danni agli occhi e gravi danni agli occhi. Assicurarsi di indossare DPI quando si lavora con questa sostanza.
   NOTA: Per ottenere risultati ottimali, posizionare la provetta da centrifuga all'interno di un becher pieno d'acqua, quindi posizionare il becher all'interno del bagno a ultrasuoni. Questa configurazione immersa garantisce un'esposizione completa della miscela di reazione all'irradiazione ultrasonica, massimizzandone l'efficacia.

2. Processo di transesterificazione

1. Aggiungere 8,0 ml di olio extra vergine di oliva nella provetta da centrifuga.
2. Tappare e chiudere bene la provetta da centrifuga e agitare energicamente la provetta da centrifuga per mescolare l'olio e la soluzione di metossido di potassio.
   NOTA: Tenere stretto il tappo della centrifuga quando si agita la provetta da centrifuga.
3. Allentare il tappo e inserire la provetta da centrifuga nel bagno ad ultrasuoni. Accendere il bagno ad ultrasuoni per 1 minuto.
4. Dopo il primo 1 minuto, chiudere bene il tappo della centrifuga e agitare nuovamente energicamente la provetta della centrifuga.
5. Allentare il tappo e immergere la miscela di reazione nel bagno ad ultrasuoni per altri 14 minuti.
6. Trasferire la miscela di reazione in un imbuto separatore e scolare lo strato inferiore di glicerina.
7. Lavare lo strato superiore con 15 mL di soluzione satura di NaCl 3 volte, per eliminare l'eccesso di metanolo e il catalizzatore residuo dall'estere. Assicurarsi che il pH del lavaggio finale sia neutro testando con una carta pH.
8. Trasferire lo strato superiore di biodiesel in una fiala asciutta e pulita, aggiungere Na₂SO₄ anidro alla fiala, agitare la miscela e lasciare riposare la miscela per circa 15 minuti fino a quando il biodiesel non è limpido. Utilizzare il prodotto biodiesel chiaro per la caratterizzazione.

3. Caratterizzazione del biodiesel

1. Analisi dell'infrarosso in trasformata di Fourier (FT-IR)
   1. Registra gli spettri FT-IR in un'ampia gamma di 4000-400 ^cm-1. Misurare ogni campione aggiungendo 16 scansioni con una risoluzione di 4 ^cm-1. Esegui la sottrazione di fondo acquisendo uno spettro di aria fresca prima di ogni scansione del campione. Questo per garantire un'accurata correzione della linea di base e una contaminazione del campione ridotta al minimo. Prima di ogni nuovo campione, pulire la piastra ATR con metanolo, quindi asciugarla con salviette prive di lanugine.
2. Analisi della risonanza magnetica nucleare protonica (¹H NMR)
   1. Per analizzare la composizione chimica del prodotto biodiesel, registrare gli spettri di risonanza magnetica nucleare (NMR) del biodiesel e dell'olio extra vergine di oliva su uno spettrometro NMR a 500 MHz a temperatura ambiente. Utilizzando una sonda a doppio gradiente ad alta risoluzione da 5 mm, preparare ogni campione sciogliendo 50 mg del campione in 0,7 mL di cloroformio deuterato (CDCl₃) contenente lo 0,05% di tetrametilsilano (TMS) come standard interno. Acquisizione di ^spettriNMR 1 H utilizzando il programma TOPSPIN con 16 scansioni e riferimento allo standard TMS a 0,0 ppm.
      ATTENZIONE: CDCl₃ è dannoso se ingerito e tossico se inalato. Provoca irritazione della pelle e grave irritazione degli occhi. Indossare DPI quando si lavora con questa sostanza.
3. Analisi della viscosità
   1. Preparare due pipette Pasteur in vetro da 5,75 pollici e una pompa per pipette.
   2. Faccia due segni su ogni pipetta con una penna. Il segno superiore si trova sul corpo della pipetta e il secondo segno si trova sullo stelo stretto, a circa 2 cm di altezza dal puntale.
   3. Utilizzare una pompa per pipette per riempire la pipetta con olio extra vergine di oliva con il menisco in corrispondenza del segno superiore.
   4. Rimuovere la pompa della pipetta e avviare il cronometro. Ferma il cronometro quando l'olio extra vergine di oliva raggiunge il segno più basso.
   5. Ripetere i passaggi 3.3.3 e 3.3.4 con il prodotto biodiesel invece dell'olio extra vergine di oliva.
   6. Determinare le viscosità relative del biodiesel rispetto all'olio extra vergine di oliva cronometrando il loro passaggio attraverso una pipetta di vetro.
      Viscosità relativa = (tempo dell'olio)/(tempo del biodiesel).
4. Prove di infiammabilità
   1. Immergere un filo di cotone di circa 2 cm di lunghezza nel biodiesel e un altro filo di cotone nell'olio extravergine di oliva. Garantire la completa saturazione della corda con il rispettivo liquido. Posizionare i fili di cotone rivestiti su un foglio di alluminio.
   2. In un'area di laboratorio designata, lontano da solventi infiammabili, valutare la facilità di accensione di ogni filo di cotone e osservare la qualità della fiamma prodotta. Determina se un filo di cotone si accende più facilmente dell'altro. Valuta quale liquido mostra capacità di traspirazione superiori e quale sostiene una combustione più forte.

Risultati

In questa dimostrazione, la reazione di transesterificazione dell'olio extra vergine di oliva e del metanolo, catalizzata dal KOH, produce biodiesel a temperatura ambiente in un bagno ultrasonico (Figura 1)⁵. I materiali di partenza nella provetta da centrifuga mostrano che i reagenti sono immiscibili e divisi in due strati, come mostrato nella Figura 2A. Lo strato superiore è una miscela di metanolo e KOH mentre lo strato inferiore è c...

Discussione

In questa dimostrazione, viene chiarito un metodo assistito da ultrasuoni per la produzione di biodiesel catalizzato da basi per un'efficacia ottimale. Per ottenere risultati ottimali, la provetta da centrifuga deve essere posizionata all'interno di un becher riempito d'acqua e quindi il becher deve essere posizionato all'interno del bagno ad ultrasuoni. Questa configurazione immersa garantisce l'esposizione completa della miscela di reazione al trattamento ad ultrasuoni, massimizzandone l'efficacia. Se lo si desidera, ?...

Materiali

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.