يتم تقديم طريقة transesterification آمنة بمساعدة الموجات فوق الصوتية للزيوت النباتية باستخدام محفز قلوي هنا. هذه الطريقة سريعة وفعالة لإعداد منتجات الديزل الحيوي النقي.
مقالة منهجية
إعداد بمساعدة الموجات فوق الصوتية من منتجات وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
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.
المقدمة
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 المرتفعة1،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 من5 الصالحة للأكل (مثل زيت الزيتون البكر الممتاز وزيت الذرة) والزيوت غير الصالحة للأكل6،7،8 (مثل زيت بذور الكبر) ، وكذلك نفاياتالزيوت 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 العابرة1،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 المحيطة5،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.
البروتوكول
1. مصدر النفط وإعداده
- 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. - 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
- أضف 8.0 مل من زيت الزيتون البكر الممتاز إلى أنبوب الطرد المركزي.
- 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. - قم بفك الغطاء ووضع أنبوب الطرد المركزي في الحمام بالموجات فوق الصوتية. بدوره على حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 1 دقيقة.
- بعد أول 1 دقيقة ، أغلق غطاء جهاز الطرد المركزي بإحكام وهز أنبوب الطرد المركزي بقوة مرة أخرى.
- قم بفك الغطاء ووضع خليط التفاعل في الحمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 14 دقيقة أخرى.
- انقل خليط التفاعل إلى قمع منفصل واستنزاف طبقة الجليسرين السفلية.
- 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.
- 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
- تحليل الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FT-IR)
- 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.
- تحليل الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (1H NMR)
- 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 1H 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.
- 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 1H NMR باستخدام برنامج TOPSPIN مع 16 عملية مسح ضوئي والإشارة إلى معيار TMS عند 0.0 جزء في المليون.
- تحليل اللزوجة
- قم بإعداد ماصات باستور زجاجية مقاس 5.75 بوصة ومضخة ماصة واحدة.
- اصنع علامتين على كل ماصة بقلم. العلامة العلوية على جسم الماصة ، والعلامة الثانية على الجذع الضيق ، على ارتفاع حوالي 2 سم من الحافة.
- استخدم مضخة ماصة لملء الماصة بزيت الزيتون البكر الممتاز مع الغضروف المفصلي في أعلى علامة.
- قم بإزالة مضخة الماصة وابدأ ساعة التوقيت. أوقف ساعة الإيقاف عندما يصل زيت الزيتون البكر الممتاز إلى العلامة السفلية.
- كرر الخطوتين 3.3.3 و 3.3.4 مع منتج الديزل الحيوي بدلا من زيت الزيتون البكر الممتاز.
- تحديد اللزوجة النسبية للديزل الحيوي مقابل زيت الزيتون البكر الممتاز عن طريق توقيت مرورها عبر ماصة زجاجية.
اللزوجة النسبية = (وقت الزيت) / (وقت الديزل الحيوي).
- اختبارات القابلية للاشتعال
- 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.
- 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 قابلة للامتزاج ومقسمة إلى طبقتين كما هو موضح في الشكل 2 أ. الطبقة العليا عبارة عن خليط من الميثانول و KOH بينما تتكون الطبقة السفلية من زيت الزيتون البكر الممتاز. لتعزيز التجانس ، يوصى بإجراء خلط مسبق قصير للمواد المتفاعلة قبل إخضاع أنبوب الطرد المركزي للتحريض بالموجات فوق الصوتية.
بعد 1 دقيقة في الحمام بالموجات فوق الصوتية ، يخضع خليط التفاعل لتجانس ملحوظ كما هو موضح في الشكل 2 ب. بعد 14 دقيقة أخرى في الحمام بالموجات فوق الصوتية ، يحدث فصل المنتج مع الطبقة العليا التي تتكون من منتجات الديزل الحيوي والطبقة السفلية التي تحتوي على استرات الجلسرين كما هو موضح في الشكل 2C. يؤدي السماح للخليط بالاستقرار لبضع دقائق إلى تحسين الانفصال ، كما هو موضح في الشكل 2 د. وبالتالي ، فإن تفاعل الأسترة بمساعدة الموجات فوق الصوتية ينتج بكفاءة وقود الديزل الحيوي في درجة حرارة الغرفة وتحت الضغط الجوي في غضون فترة زمنية قصيرة. علاوة على ذلك ، يسهل التفاعل الفصل المتسارع للديزل الحيوي من طبقة الجلسرين للعمل بسهولة. يمكن تنقية منتجات الديزل الحيوي بشكل أكبر عن طريق الفصل في قمع منفصل والغسيل اللاحق بمحلول كلوريد الصوديوم المشبع. يمكن تحقيق توصيف منتج الديزل الحيوي من خلال تحليل 1H-NMR لتأكيد التوليف الناجح للديزل الحيوي.
الشكل 1: تخليق وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية عن طريق تفاعل الأسترة التبادلية. توضح الصورة خطوات التوليف الموضحة هنا.))) يمثل العلاج بالموجات فوق الصوتية. r.t. يمثل درجة حرارة الغرفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: خليط التفاعل. تظهر الصور خليط التفاعل (أ) في الوقت 0 دقيقة، (ب) بعد 1 دقيقة من العلاج بالموجات فوق الصوتية، (ج) بعد الانتهاء مباشرة (بعد 15 دقيقة من العلاج بالموجات فوق الصوتية)، و(د) بعد 5 دقائق من انتهاء التفاعل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يتم تحليل أطياف FT-IR لزيت الزيتون البكر الممتاز (الشكل 3A) والديزل الحيوي (الشكل 3B) لتأكيد إنتاج وقود الديزل الحيوي. الذروة عند 1435 سم -1 موجودة في وقود الديزل الحيوي الذي يظهر الانحناء غير المتماثل CH3 ، في حين أن هذه القمة غائبة في زيت الزيتون البكر الممتاز. تظهر الذروة عند 1195 سم -1 أن تمدد O-CH3 موجود في وقود الديزل الحيوي ، لكن هذه القمة غائبة في زيت الزيتون البكر الممتاز. توجد ثلاث قمم في كل من زيت الزيتون البكر الممتاز والديزل الحيوي: تظهر القمم بين 2800-3000 سم -1 تمدد CH2 وتمدد CH3 وCH 2 غير المتماثل ، وتظهر القمة بين 1700-1800 سم -1 امتداد C = O. يشير الشريط عند 721-723 سم -1 إلى وجود رابطة مزدوجة Z (رابطة الدول المستقلة) في سلسلة الهيدروكربون للديزل الحيوي. (Z) - يقلل عدم التشبع من درجة انصهار المنتج. النتائج تتفق مع الأدبيات السابقة18.
الشكل 3: طيف FT-IR. تم قياس طيف FT-IR من 4000-400 سم -1 ل (أ) زيت الزيتون البكر الممتاز و (ب) وقود الديزل الحيوي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
بالنسبة لنتائج الرنين المغناطيسي النووي لمدة 1H ، يحتوي زيت الزيتون البكر الممتاز على مضاعف عند δ = 4.1-4.3 جزء في المليون ومضاعف عند δ = 5.2-5.3 جزء في المليون لبروتونات الغليسيريل (الشكل 4 أ). يظهر منتج الديزل الحيوي عدم وجود بروتونات الغليسيريل ، حيث يعرض مفردة عند δ = 3.67 جزء في المليون لبروتونات الميثيل داخل إستر الميثيل (الشكل 4 ب). القمم تتفق مع الأدبيات السابقة 19,20. يختلف هذا المفرد عن مفردة CH3 (δ = 3.49 جزء في المليون) التي لوحظت في MeOH. استنادا إلى نتائج 1H NMR ، من الواضح أن الطريقة المدعومة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تنتج وقود الديزل الحيوي بنقاوة قريبة من 100٪.
الشكل 4: طيف الرنين المغناطيسي النووي 1H. طيف 1H NMR (500 MHz) في CDCl3 من (A) زيت الزيتون البكر الممتاز مع التخصيص المقابل للقمم الرئيسية لوحدة الجلسرين وسلاسل الأحماض الدهنية و (B) وقود الديزل الحيوي مع التخصيص المقابل للقمم الرئيسية لإستر الميثيل وسلاسل الأحماض الدهنية. توضح الأطياف المجموعات الوظيفية المختلفة في الزيت النباتي والديزل الحيوي ونقاء منتج الديزل الحيوي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
وقود الديزل الحيوي الذي له لزوجة أقرب إلى لزوجة الديزل البترولي أقل لزوجة بحوالي 8 مرات من زيت الزيتون البكر الممتاز. زيت الزيتون البكر الممتاز مع عيب اللزوجة 10x ، يجعله غير عملي لأنظمة الوقود.
عند اختبار القابلية للاشتعال ، اشتعلت خيوط القطن المنقوعة في وقود الديزل الحيوي بشكل أسرع واحترقت بشكل أكثر كثافة من تلك المنقوعة في زيت الزيتون البكر الممتاز. هذا يشير إلى إمكانات وقود الديزل الحيوي كبديل لوقود الديزل.
المناقشة
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 التعرض الشامل لخليط التفاعل للعلاج بالموجات فوق الصوتية ، مما يزيد من فعاليته. إذا رغبت في ذلك ، يمكن أيضا استخدام رف الطرد المركزي لاستبدال الدورق داخل الحمام بالموجات فوق الصوتية ، والذي يمكن أن يقلل من ضوضاء الموجات فوق الصوتية.
اختيار المذيبات المناسبة هو عنصر حاسم آخر لتوليف وقود الديزل الحيوي عن طريق التوليف بمساعدة الموجات فوق الصوتية. على الرغم من أن كلا من الميثانول والإيثانول عبارة عن مذيبات خضراء21 ويمكن استخدامها لإنتاج وقود الديزل الحيوي ، مقارنة بالإيثانول ، يوفر الميثانول العديد من المزايا ، بما في ذلك الفعالية من حيث التكلفة ، وأوقات التفاعل الأسرع ، وفصل الجليسرين الفعال ، وتقييم النقاء الودي باستخدام 1H NMR22. لذلك ، يتم استخدام الميثانول في هذا العرض التوضيحي. علاوة على ذلك ، فإن منتج الديزل الحيوي الناتج عن الميثانول أسهل في توصيفه باستخدام H1 NMR5.
يشكل الماء تحديا كبيرا في الأسترة التبادلية للزيت النباتي ، مما يعوق كفاءة المحفز ونقاء الديزل الحيوي. يؤدي الماء الزائد إلى التحلل المائي ، ويحول وقود الديزل الحيوي القيم إلى أحماض دهنية خالية من المشاكل تتفاعل مع المحفز القلوي ، وتشكل صابونا مزعجا. يعيق هذا الصابون الفصل والتنقية ، ويقلل من نشاط المحفز ، ويقلل في النهاية من إنتاج وقود الديزل الحيوي. ومع ذلك ، فإن خليط التفاعل في نظام مغلق سيؤدي إلى انخفاض إنتاج وقود الديزل الحيوي. لذلك ، يجب تخفيف غطاء أنبوب الطرد المركزي تحت العلاج بالموجات فوق الصوتية.
تعتبر الطريقة المدعومة بالموجات فوق الصوتية مفيدة على طرق التسخين التقليدية لأنه يمكن تصنيع وقود الديزل الحيوي بدقة ودقة وسرعة في درجة حرارة الغرفة تحت الضغط الجوي. في هذه الطريقة ، يتم تصنيع وقود الديزل الحيوي تحت درجة الحرارة المحيطة والضغط الجوي ، وهو أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأكثر أمانا من طرق التسخين التقليدية. لذلك ، فإن الطريقة بمساعدة الموجات فوق الصوتية هي طريقة أكثر اخضرارا مقارنة بطريقة التسخين التقليدية. نظرا لملاءمته للبيئة ، وكفاءة الطاقة ، ووقت رد الفعل القصير في ظل الظروف المحيطة ، يمكن تحضير وقود الديزل الحيوي في غضون 15 دقيقة باستخدام الطريقة بمساعدة الموجات فوق الصوتية. تنطبق هذه الطريقة أيضا على الزيوت النباتية الأخرى ، مثل زيت فول الصويا وزيت الذرة وزيت الكانولا وزيت الفول السوداني وزيت الزيتون. تم الإبلاغ عن النتائج في منشورنا السابق5. هذه الزيوت النباتية متوفرة تجاريا ويمكن الوصول إليها بسهولة ، مما يسمح باعتماد أوسع للطريقة بمساعدة الموجات فوق الصوتية.
يمكن استخدام حمامات الموجات فوق الصوتية المختلفة (40 كيلو هرتز) ، بما في ذلك المنظفات بالموجات فوق الصوتية منخفضة التكلفة أو منظفات المجوهرات بالموجات فوق الصوتية ، على الرغم من أن وقت رد الفعل قد يختلف. بالمقارنة مع مسبار الموجات فوق الصوتية ، فإن الحمام بالموجات فوق الصوتية له تردد واحد ، وهو الحد من هذه الطريقة. نظرا لأن وقت رد الفعل قصير ويمكن تشغيل تفاعلات متعددة في وقت واحد في الحمام بالموجات فوق الصوتية ، يمكن أيضا استخدام الطريقة بمساعدة الموجات فوق الصوتية في تدريس الدورات المختبرية كمثال جيد لتعريف الطلاب بتطبيق 12 مبدأ للكيمياء الخضراء مثل استخدام المواد الأولية المتجددة ، والتصميم لكفاءة الطاقة ، والكيمياء الأكثر أمانا بطبيعتها للوقاية من الحوادث ، والحفز.
في الختام ، تم إدخال طريقة transesterification بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإعداد وقود الديزل الحيوي النقي من الزيوت النباتية المتاحة تجاريا في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي. بالمقارنة مع طرق التسخين التقليدية ، يوفر التشعيع بالموجات فوق الصوتية مزايا كبيرة في أسترة الزيت: أوقات تفاعل أقصر ، وانخفاض النسب المولية للكحول إلى الزيت ، واستهلاك طاقة أقل بنسبة تصل إلى 50٪ ، وزيادة معدلات التفاعل. تستفيد هذه العملية الفعالة من تشعيع الموجات فوق الصوتية لتحقيق توزيع فعال للطاقة داخل خليط التفاعل ، مما يؤدي إلى أداء متفوق17,23. علاوة على ذلك ، من المفيد تشغيل ردود فعل صغيرة الحجم باستخدام حمامات الموجات فوق الصوتية منخفضة التكلفة ؛ لذلك ، يمكن اعتماد الحمامات بالموجات فوق الصوتية كمصدر تشعيع بالموجات فوق الصوتية بسهولة وعلى نطاق واسع في مختبرات البحث والتدريس.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
شكر وتقدير
تم دعم العمل من قبل صندوق بدء تشغيل المؤلف YL وجائزة تعزيز علم أصول التدريس (PEA) في جامعة ولاية كاليفورنيا ، ساكرامنتو.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| الكلوروفورم-د | فيشر العلمي | 865-49-6 | & bull; ضار إذا ابتلع. & bull; يسبب تهيج الجلد. & bull يسبب تهيجا خطيرا للعين. & bull ؛ سامة إذا تم استنشاقها. & bull ؛ يشتبه في تسببه في السرطان. & bull ؛ يشتبه في إتلاف الخصوبة أو الطفل الذي لم يولد بعد. & bull; يسبب تلفا للأعضاء من خلال التعرض لفترات طويلة أو متكررة |
| حمامات بالموجات فوق الصوتية الساخنة ، الرقمية ، برانسون بالموجات فوق الصوتية | برانسون ؛ | 89375-492 | |
| الميثانول | فيشر العلمية | 67-56-1 | سائل وبخار شديد الاشتعال. سام في حالة ابتلاعه أو ملامسته للجلد أو في حالة استنشاقه. يسبب تلفا للأعضاء (العينين). |
| هيدروكسيد البوتاسيوم | قد تكون شركة فيشر العلمية | 1310-58-3 | مسببة للتآكل للمعادن. ضار إذا ابتلع. يسبب حروقا شديدة في الجلد وتلف العين. يسبب تلفا خطيرا للعين |
| كلوريد الصوديوم | سيجما-ألدريتش | 7647-14-5 | زيوت |
| نباتية | غذاء شائع الاستهلاك له تاريخ طويل من الاستخدام الآمن في المبيدات الحشرية. |
المراجع
- Mishra, V. K., Goswami, R. A review of production, properties and advantages of biodiesel. Biofuels. 9 (2), 273-289 (2018).
- Talha, N. S., Sulaiman, S. Overview of catalysts in biodiesel production. ARPN J Eng Appl Sci. 11 (1), 439-442 (2016).
- Kalita, P., Basumatary, B., Saikia, P., Das, B., Basumatary, S. Biodiesel as renewable biofuel produced via enzyme-based catalyzed transesterification. Ener Nex. 6, 100087(2022).
- Norjannah, B., Ong, H. C., Masjuki, H. H., Juan, J. C., Chong, W. T. Enzymatic transesterification for biodiesel production: A comprehensive review. RSC Adv. 6 (65), 60034-60055 (2016).
- Wang, X., Chrzanowski, M., Liu, Y. Ultrasonic-assisted transesterification: A green miniscale organic laboratory experiment. J Chem Edu. 97 (4), 1123-1127 (2020).
- Duarte, M. P., Hamilton, A., Naccache, R. Biomass to bioenergy. , Elsevier. (2024).
- Munir, M., et al. Biodiesel production from novel non-edible caper (Capparis L.) seeds oil employing Cu-Ni doped ZrO2 catalyst. Renew Sus Ener Rev. 138, 110558(2021).
- Munir, M., et al. Cleaner production of biodiesel from novel non-edible seed oil (Carthamus lanatus L.) via highly reactive and recyclable green nano CoWO3@rGO composite in context of green energy adaptation. Fuel. 332, 126265(2023).
- Rocha-Meneses, L., et al. Recent advances on biodiesel production from waste cooking oil (WCO): A review of reactors, catalysts, and optimization techniques impacting the production. Fuel. 348, 128514(2023).
- Suslick, K. S., Nyborg, W. L. Ultrasound: Its chemical, physical and biological effects. J Acoust Soc Am. 87, 919-920 (1990).
- Afreen, S., Muthoosamy, K., Manickam, S. Sono-nano chemistry: A new era of synthesising polyhydroxylated carbon nanomaterials with hydroxyl groups and their industrial aspects. Ultrason Sonochem. 51, 451-461 (2019).
- Babu, S. G., Neppolian, B., Ashokkumar, M. Ultrasound-assisted synthesis of nanoparticles for energy and environmental applications. Handbook Ultrason Sonochem. 2, 1-34 (2015).
- Banerjee, B. Recent developments on ultrasound assisted catalyst-free organic synthesis. Ultrason Sonochem. 35, 1-14 (2017).
- Bang, J. H., Suslick, K. S. Applications of ultrasound to the synthesis of nanostructured materials. Adv Mater. 22 (10), 1039-1059 (2010).
- Kaur, N. Ultrasound-assisted green synthesis of five-membered O- and S-heterocycles. Syn Comm. 48 (14), 1715-1738 (2018).
- Liu, Y., Myers, E. J., Rydahl, S. A., Wang, X. Ultrasonic-assisted synthesis, characterization, and application of a metal-organic framework: A green general chemistry laboratory project. J Chem Edu. 96 (10), 2286-2291 (2019).
- Tan, S. X., Lim, S., Ong, H. C., Pang, Y. L. State of the art review on development of ultrasound-assisted catalytic transesterification process for biodiesel production. Fuel. 235, 886-907 (2019).
- Mahamuni, N. N., Adewuyi, Y. G. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) method to monitor soy biodiesel and soybean oil in transesterification reactions, petrodiesel− biodiesel blends, and blend adulteration with soy oil. Ener Fuels. 23 (7), 3773-3782 (2009).
- Castejón, D., Fricke, P., Cambero, M. I., Herrera, A. Automatic 1H-NMR screening of fatty acid composition in edible oils. Nutrients. 8 (2), 93(2016).
- Doudin, K. I. Quantitative and qualitative analysis of biodiesel by NMR spectroscopic methods. Fuel. 284, 119114(2021).
- Prat, D., et al. Chem21 selection guide of classical-and less classical-solvents. Green Chem. 18 (1), 288-296 (2016).
- Ameen, M., et al. Prospects of catalysis for process sustainability of eco-green biodiesel synthesis via transesterification: A state-of-the-art review. Sustainability. 14 (12), 7032(2022).
- Malek, M. N. F. A., et al. Ultrasonication: A process intensification tool for methyl ester synthesis: A mini review. Biomass Conv Bioref. 13, 1457-1467 (2023).
إعادة الطباعة والأذونات
الوسوم
