Bitkisel Yağlardan Ultrasonik Destekli Biyodizel Ürünlerinin Hazırlanması

Özet

Bir alkali katalizör kullanan bitkisel yağlar için güvenli bir ultrasonik destekli transesterifikasyon yöntemi burada sunulmaktadır. Yöntem, saf biyodizel ürünleri hazırlamak için hızlı ve verimlidir.

Özet

Bitkisel yağı sürdürülebilir bir hammadde olarak kullanan bu çalışma, biyodizel sentezi için ultrasonik destekli transesterifikasyona yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Bu alkali katalizli prosedür, ultrasonu güçlü bir enerji girişi olarak kullanır ve sızma zeytinyağının biyodizele hızlı bir şekilde dönüştürülmesini kolaylaştırır. Bu gösteride, reaksiyon, 15 dakika boyunca ortam koşulları altında ultrasonik bir banyoda çalıştırılır ve 1: 6 molar sızma zeytinyağı / metanol oranı ve katalizör olarak minimum miktarda KOH gerektirir. Biyodizelin fizyokimyasal özellikleri de rapor edilmiştir. Ultrasonik destekli transesterifikasyonun dikkate değer avantajlarını vurgulayan bu yöntem, reaksiyon ve ayırma sürelerinde kayda değer azalmalar, mükemmele yakın saflık (~% 100), yüksek verim ve ihmal edilebilir atık oluşumu sağlar. Daha da önemlisi, bu faydalar güvenlik ve çevresel sürdürülebilirliği ön planda tutan bir çerçeve içinde elde edilir. Bu zorlayıcı bulgular, bu yaklaşımın bitkisel yağın biyodizele dönüştürülmesindeki etkinliğinin altını çizmekte ve onu hem araştırma hem de pratik uygulamalar için uygun bir seçenek olarak konumlandırmaktadır.

Giriş

Yaygın, bitki bazlı sıvı ve katı yağlardan elde edilen biyodizel, petrole olan bağımlılığı azaltmak için sürdürülebilir bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır¹. Bu yenilenebilir ikame, sürdürülebilir kaynaklara dayanırken, başta karbondioksit olmak üzere azaltılmış sera gazı emisyonlarını sergiliyor. Ayrıca biyodizel, kükürt içermeyen bileşimi, toksik olmayan yapısı ve biyolojik olarak parçalanabilirliği ile karakterize edilen petrol dizeline göre belirgin avantajlar sunar. Konvansiyonel fosil yakıtlara bir alternatif olarak biyodizel, yenilenemeyen fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltarak ve iklim değişikliğinin olumsuz etkilerini hafifleterek Birleşmiş Milletler'in (BM) Net Sıfır politikasıyla uyumludur. Biyodizel, mevcut enerji ihtiyaçlarını karşılamak için umut verici bir yol sunarak onu daha yeşil bir gelecek için güçlü bir seçim haline getiriyor².

Biyodizel üretimi için kullanılan baskın yöntem, sıvı ve katı yağlarda bulunan trigliseritlerin, yüksek sıcaklık koşulları ^1,2,3,4 altında bir katalizör varlığında bir alkol, tipik olarak metanol veya etanol ile reaksiyona girdiği kimyasal bir işlem olan transesterifikasyonu içerir. Bu reaksiyon, biyodizelin temel bileşeni olan yağ asidi alkil esterlerini verir. Hem yenilebilir⁵ (örneğin, sızma zeytinyağı ve mısır yağı) hem de yemeklik olmayan yağlar ^6,7,8 (örneğin, kapari tohumu yağı) ve atık yağlar⁹ dahil olmak üzere çeşitli bitkisel yağ türleri biyodizel üretimi için birincil hammadde görevi görür. Metanol, nispeten ucuz bir alkol olduğu için bu transesterifikasyon işlemi için en yaygın olarak kullanılır. Ek olarak, transesterifikasyon sürecini hızlandırmak için sülfürik asit, fosforik asit, potasyum hidroksit, sodyum hidroksit veya lipaz gibi enzimler gibi bir dizi katalizör^{kullanılabilir} 1,2,3,4. Geleneksel olarak, reaksiyon karışımı uzun süreler, tipik olarak 30 dakika veya daha uzun süre geri akış altında ısıtılır. Isıtma, ultrasonikasyon kadar enerji verimli değildir ve aynı zamanda güvenlik riskleri oluşturur⁵. Sonuç olarak, daha güvenli, daha hızlı ve daha enerji verimli bir transesterifikasyon sürecine ihtiyaç vardır.

Ultrason ışınlaması, öncelikle akustik kavitasyon olgusu nedeniyle, ısı, ışık ve elektrik gibi geleneksel enerji kaynaklarına üstün bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır¹⁰. Kabarcıkların oluşumu, genişlemesi ve şiddetli çöküşü ile karakterize edilen bu fenomen, yaklaşık 5000 K'ye ulaşan sıcaklıklara ve 1000 atm basınca sahip lokalize sıcak noktalar oluşturur. Bu tür aşırı koşullar, hızlı ısıtma ve soğutma hızlarıyla (10^{10 K}/s'nin üzerinde) birleştiğinde, daha önce geleneksel yollarla ulaşılamaz olarak kabul edilenler de dahil olmak üzere, oda sıcaklığında çok çeşitli kimyasal reaksiyonların verimli bir şekilde gerçekleşmesi için gerekli enerjiyi sağlar¹⁰. Ultrasonik destekli sentez, çeşitli araştırma alanlarında hızla zemin kazanmaktadır. Özellikle, organik sentez ve katı hal malzemelerinde ultrasonik destekli senteze olan ilgi, çevre dostu doğası, enerji verimliliği ve ortam koşulları altında kısaltılmış reaksiyon süreleri^tarafından yönlendirilmektedir 5,11,12,13,14,15,16 . Burada, kısa bir zaman dilimi içinde saf biyodizel ürünleri veren bir alkali katalizör kullanarak bitkisel yağların güvenli ultrasonik destekli transesterifikasyonu için hızlı ve etkili bir teknik tanıtılmaktadır. Sızma zeytinyağı bu çalışmada gösteri ortamı olarak hizmet ederken, ultrasonik yöntemin bir dizi bitkisel yağa^{uygulanabilirliğe} sahip olduğuna dikkat etmek zorunludur ^5,17.

Protokol

1. Yağ kaynağı ve hazırlanması

1. 15 mL'lik bir santrifüj tüpüne 2,0 mL HPLC dereceli metanol ekleyin.
   DİKKAT: Metanol oldukça yanıcı bir sıvıdır. Yutulması, cilt ile temas etmesi veya solunması halinde toksiktir ve gözlerde hasara neden olur. Metanol ile çalışırken kişisel koruyucu ekipman (KKD) giydiğinizden ve çeker ocakta kullandığınızdan emin olun.
2. Santrifüj tüpüne bir pelet KOH (~ 0.10 g) ekleyin ve sadece ultrasonik temizleyiciyi (40 kHz) kullanarak KOH katısını çözün.
   DİKKAT: KOH yutulması halinde zararlıdır. Ciddi cilt yanıklarına, göz hasarına ve ciddi göz hasarına neden olur. Bu maddeyle çalışırken KKD giydiğinizden emin olun.
   NOT: En iyi sonuçlar için, santrifüj tüpünü suyla dolu bir beherin içine yerleştirin ve ardından beheri ultrasonik banyonun içine yerleştirin. Bu daldırılmış konfigürasyon, reaksiyon karışımının ultrasonik ışınlamaya tam olarak maruz kalmasını garanti ederek etkinliğini en üst düzeye çıkarır.

2. Transesterifikasyon işlemi

1. Santrifüj tüpüne 8.0 mL sızma zeytinyağı ekleyin.
2. Santrifüj tüpünü sıkıca kapatın ve kapatın ve yağı ve potasyum metoksit çözeltisini karıştırmak için santrifüj tüpünü kuvvetlice sallayın.
   NOT: Santrifüj tüpünü sallarken santrifüj kapağını sıkı tutun.
3. Kapağı gevşetin ve santrifüj tüpünü ultrasonik banyoya koyun. Ultrasonik banyoyu 1 dakika boyunca açın.
4. İlk 1 dakikadan sonra santrifüj kapağını sıkıca kapatın ve santrifüj tüpünü tekrar kuvvetlice sallayın.
5. Kapağı gevşetin ve reaksiyon karışımını 14 dakika daha ultrasonik banyoya koyun.
6. Reaksiyon karışımını bir ayırma hunisine aktarın ve alt gliserin tabakasını boşaltın.
7. Fazla metanolü ve artık katalizörü esterden yıkamak için üst tabakayı 15 mL doymuş NaCl çözeltisi 3x ile yıkayın. Bir pH kağıdı ile test ederek son yıkamanın pH'ının nötr olduğundan emin olun.
8. Üst biyodizel katmanını kuru, temiz bir şişeye aktarın, şişeye susuz Na_2S04 ekleyin, karışımı döndürün ve biyodizel berraklaşana kadar karışımın yaklaşık 15 dakika bekletilmesine izin verin. Karakterizasyon için berrak biyodizel ürününü kullanın.

3. Biyodizelin karakterizasyonu

1. Fourier dönüşümü kızılötesi (FT-IR) analizi
   1. FT-IR spektrumlarını 4000-400 ^cm-1 gibi geniş bir aralıkta kaydedin. Her numuneyi 4 ^cm-1 çözünürlükte 16 taramayı birlikte ekleyerek ölçün. Her numune taramasından önce bir temiz hava spektrumu elde ederek arka plan çıkarma işlemini gerçekleştirin. Bu, doğru referans değer düzeltmesi sağlamak ve numune kontaminasyonunu en aza indirmek içindir. Her yeni numuneden önce ATR plakasını metanol kullanarak temizleyin ve ardından tüy bırakmayan mendillerle kurulayın.
2. Proton nükleer manyetik rezonans (¹H NMR) analizi
   1. Biyodizel ürününün kimyasal bileşimini analiz etmek için, biyodizel ve sızma zeytinyağının nükleer manyetik rezonans (NMR) spektrumlarını oda sıcaklığında 500 MHz NMR spektrometresine kaydedin. Yüksek çözünürlüklü 5 mm'lik çift gradyanlı bir prob kullanarak, her bir numuneyi, dahili bir standart olarak %0.05 tetrametilsilan (TMS) içeren 0.7 mL döteryumlu kloroform (_CDCl3) içinde 50 mg çözerek hazırlayın. 16 taramalı TOPSPIN programını kullanarak ve 0,0 ppm'de TMS standardına referans alarak ¹H NMR spektrumu elde edin.
      DİKKAT: CDCl₃ yutulduğunda zararlıdır ve solunduğunda toksiktir. Cilt tahrişine ve ciddi göz tahrişine neden olur. Bu maddeyle çalışırken KKD giyin.
3. Viskozite analizi
   1. İki adet 5,75 inç cam Pasteur pipeti ve bir pipet pompası hazırlayın.
   2. Her pipette bir kalemle iki işaret yapın. Üst işaret pipetin gövdesi üzerindedir ve ikinci işaret, uçtan yaklaşık 2 cm yukarıda, dar sap üzerindedir.
   3. Pipeti, menisküs üst işarette olacak şekilde sızma zeytinyağı ile doldurmak için bir pipet pompası kullanın.
   4. Pipet pompasını çıkarın ve kronometreyi başlatın. Sızma zeytinyağı alt işarete ulaştığında kronometreyi durdurun.
   5. 3.3.3 ve 3.3.4 adımlarını sızma zeytinyağı yerine biyodizel ürünü ile tekrarlayın.
   6. Biyodizelin sızma zeytinyağına karşı nispi viskozitelerini, bir cam pipetten geçişlerini zamanlayarak belirleyin.
      Bağıl Viskozite = (yağ süresi)/(biyodizel süresi).
4. Yanmazlık testleri
   1. Yaklaşık 2 cm uzunluğunda bir pamuk ipini biyodizele ve başka bir pamuk ipini sızma zeytinyağına batırın. İpin ilgili sıvı ile tam doygunluğundan emin olun. Kaplanmış pamuk ipleri alüminyum folyo üzerine yerleştirin.
   2. Belirlenmiş bir laboratuvar alanında, yanıcı çözücülerden uzakta, her bir pamuk ipini tutuşturma kolaylığını değerlendirin ve üretilen alevin kalitesini gözlemleyin. Bir pamuk ipinin diğerinden daha kolay tutuşup tutuşmadığını belirleyin. Hangi sıvının üstün fitilleme kabiliyeti sergilediğini ve hangisinin daha güçlü bir yanık sürdürdüğünü değerlendirin.

Sonuçlar

Bu demonstrasyonda, KOH tarafından katalize edilen sızma zeytinyağı ve metanolün transesterifikasyon reaksiyonu, ultrasonik bir banyoda oda sıcaklığında biyodizel üretir (Şekil 1)⁵. Santrifüj tüpündeki başlangıç malzemeleri, reaktanların karışmaz olduğunu ve Şekil 2A'da görüldüğü gibi iki katmana ayrıldığını gösterir. Üst tabaka metanol ve KOH karışımıdır, alt tabaka ise sızma zeytinyağından oluş...

Tartışmalar

Bu gösteride, optimal etkinlik için baz katalizli biyodizel üretiminin ultrasonik destekli bir yöntemi açıklanmıştır. En iyi sonuçlar için, santrifüj tüpü su ile dolu bir beher içine yerleştirilmeli ve daha sonra beher ultrasonik banyonun içine yerleştirilmelidir. Bu daldırılmış konfigürasyon, reaksiyon karışımının ultrasonik işleme tam olarak maruz kalmasını garanti eder ve etkinliğini en üst düzeye çıkarır. İstenirse, ultrasonik banyonun içindeki beheri değiştirmek için bir san...

Malzemeler

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.