הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

הכנה בסיוע אולטראסוני של מוצרי ביודיזל משמנים צמחיים

2.5K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/66689

⸱

19 באפריל 2024

 ,  , 
1Department of Chemistry, California State University, Sacramento

במאמר זה

סיכום

שיטה בטוחה בסיוע קולי transesterification עבור שמנים צמחיים באמצעות זרז אלקליין מוצג כאן. השיטה מהירה ויעילה להכנת מוצרי ביודיזל טהורים.

תקציר

תוך שימוש בשמן צמחי כחומר הזנה בר-קיימא, מחקר זה מציג גישה חדשנית לטרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטראסוני לסינתזה של ביו-דיזל. הליך אלקליין מזורז זה רותם אולטרסאונד כקלט אנרגיה רב עוצמה, המאפשר המרה מהירה של שמן זית כתית מעולה לביודיזל. בהדגמה זו, התגובה מופעלת באמבטיה קולית בתנאי סביבה במשך 15 דקות, הדורשת יחס מולארי של 1:6 של שמן זית כתית מעולה למתנול וכמות מינימלית של KOH כזרז. התכונות הפיזיוכימיות של ביודיזל מדווחות גם. תוך הדגשת היתרונות המדהימים של טרנסאסטריפיקציה בסיוע קולי, שיטה זו מדגימה הפחתה ניכרת בזמני התגובה וההפרדה, השגת טוהר כמעט מושלם (~ 100%), יבולים גבוהים וייצור פסולת זניח. חשוב לציין כי יתרונות אלה מושגים במסגרת השמה בראש סדר העדיפויות בטיחות וקיימות סביבתית. ממצאים משכנעים אלה מדגישים את יעילותה של גישה זו בהמרת שמן צמחי לביודיזל, וממצבים אותה כאפשרות מעשית הן למחקר והן ליישומים מעשיים.

מבוא

ביודיזל, המופק משמנים ושומנים צמחיים נפוצים, מתגלה כפתרון בר-קיימא להפחתת התלות בנפט1. תחליף מתחדש זה מציג פליטות מופחתות של גזי חממה, בעיקר פחמן דו חמצני, תוך הסתמכות על משאבים בני קיימא. יתר על כן, ביודיזל מציג יתרונות ברורים על פני דיזל נפט, המאופיין בהרכבו נטול הגופרית, אופיו הלא רעיל ויכולת ההתכלות הביולוגית שלו. כחלופה לדלקי מאובנים קונבנציונליים, ביודיזל מיישר קו עם מדיניות Net Zero של האו"ם (האו"ם) על ידי הפחתת התלות שלנו בדלקים מאובנים שאינם מתחדשים ומיתון ההשפעות השליליות של שינויי האקלים. ביודיזל מציע נתיב מבטיח לענות על צרכי האנרגיה הנוכחיים, מה שהופך אותו לבחירה רבת עוצמה לעתיד ירוק יותר2.

השיטה השלטת לייצור ביודיזל כוללת טרנסאסטריפיקציה, תהליך כימי שבו טריגליצרידים הנמצאים בשמנים ובשומנים מגיבים עם אלכוהול, בדרך כלל מתנול או אתנול, בנוכחות זרז בתנאי טמפרטורה גבוהים 1,2,3,4. תגובה זו מניבה אסטרים אלקיל של חומצת שומן, המרכיב העיקרי של ביודיזל. סוגים שונים של שמנים צמחיים משמשים כחומרי הזנה עיקריים לייצור ביודיזל, כולל שמנים אכילים5 (למשל, שמן זית כתית מעולה ושמן תירס) ושמנים שאינם אכילים 6,7,8 (למשל, שמן זרעי צלפים), כמו גם שמני פסולת9. מתנול משמש בדרך כלל לתהליך טרנסאסטריפיקציה זה מכיוון שהוא אלכוהול זול יחסית. בנוסף, ניתן להשתמש במגוון זרזים כגון חומצה גופרתית, חומצה זרחתית, אשלגן הידרוקסיד, נתרן הידרוקסידי או אנזימים כמו ליפאז כדי לזרז את תהליך הטרנסאסטריפיקציה 1,2,3,4. באופן מסורתי, תערובת התגובה מחוממת תחת ריפלוקס לפרקי זמן ממושכים, בדרך כלל 30 דקות או יותר. חימום אינו חסכוני באנרגיה כמו אולטרסוניקציה תוך סיכון בטיחותי5. כתוצאה מכך, יש צורך בתהליך טרנסאסטריפיקציה בטוח, מהיר וחסכוני יותר באנרגיה.

הקרנת אולטרסאונד מתגלה כחלופה עדיפה על מקורות אנרגיה קונבנציונליים כגון חום, אור וחשמל, בעיקר בשל תופעת הקוויטציה האקוסטית10. תופעה זו, המאופיינת בהיווצרות, התפשטות וקריסה אלימה של בועות, יצירת נקודות חמות מקומיות עם טמפרטורות המגיעות לכ 5000 K ולחצים של 1000 אטמוספרה. תנאים קיצוניים כאלה, יחד עם קצבי חימום וקירור מהירים (מעל 1010 K/s), מספקים את האנרגיה הדרושה למגוון רחב של תגובות כימיות להתרחש ביעילות בטמפרטורת החדר, כולל אלה שנחשבו בעבר בלתי ניתנות להשגה באמצעים קונבנציונליים10. סינתזה בסיוע קולי צוברת תאוצה במהירות בתחומי מחקר מגוונים. יש לציין כי העניין בסינתזה בסיוע על-קולי בסינתזה אורגנית ובחומרי מצב מוצק מונע על ידי אופיו הידידותי לסביבה, יעילות האנרגיה וזמני התגובה המקוצרים בתנאי הסביבה 5,11,12,13,14,15,16 . טכניקה מהירה ויעילה מוצגת כאן עבור טרנסאסטריפיקציה מאובטחת בסיוע קולי של שמנים צמחיים באמצעות זרז אלקליין המניב מוצרי ביודיזל טהורים בתוך מסגרת זמן קצרה. בעוד שמן זית כתית מעולה משמש כמדיום הדגמה במחקר זה, חובה לציין כי השיטה העל-קולית ישימה לספקטרום של שמני ירקות 5,17.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. מקור שמן והכנתו

  1. הוסף 2.0 מ"ל מתנול באיכות HPLC לצינור צנטריפוגה של 15 מ"ל.
    זהירות: מתנול הוא נוזל דליק מאוד. זה רעיל אם נבלע, במגע עם העור, או אם נשאף, וזה גורם נזק לעיניים. הקפד ללבוש ציוד מגן אישי (PPE) בעת עבודה עם מתנול ולהשתמש בו במכסה האדים.
  2. הוסף כדור אחד של KOH (~ 0.10 גרם) לצינור הצנטריפוגה והמיס את מוצק KOH באמצעות השואב העל-קולי (40 קילוהרץ) פשוט על ידי הפעלת האולטרסוני.
    אזהרה: KOH מזיק בבליעה. הוא גורם לכוויות עור חמורות, נזק לעיניים ונזק חמור לעיניים. הקפד ללבוש PPE בעת עבודה עם חומר זה.
    הערה: לקבלת תוצאות מיטביות, מקם את צינור הצנטריפוגה בתוך מלאה במים ולאחר מכן מקם את הכד בתוך האמבטיה העל-קולית. תצורה שקועה זו מבטיחה חשיפה יסודית של תערובת התגובה לקרינה קולית, וממקסמת את יעילותה.

2. תהליך טרנסאסטריפיקציה

  1. מוסיפים 8.0 מ"ל שמן זית כתית מעולה לצינור הצנטריפוגה.
  2. מכסים וסוגרים היטב את צינור הצנטריפוגה ומנערים את צינור הצנטריפוגה במרץ כדי לערבב את השמן עם תמיסת אשלגן מתאוקסיד.
    הערה: יש להדק את מכסה הצנטריפוגה בעת ניעור צינור הצנטריפוגה.
  3. שחררו את המכסה והכניסו את צינור הצנטריפוגה לאמבטיה העל-קולית. הפעל את האמבטיה העל-קולית למשך דקה.
  4. לאחר 1 דקות ראשונות, לסגור את מכסה הצנטריפוגה חזק ולנער את צינור הצנטריפוגה שוב במרץ.
  5. שחררו את הפקק והכניסו את תערובת התגובה לאמבטיה האולטרסונית למשך 14 דקות נוספות.
  6. מעבירים את תערובת התגובה למשפך מפריד ומנקזים את שכבת הגליצרין התחתונה.
  7. שטפו את השכבה העליונה עם 15 מ"ל של תמיסת NaCl רוויה 3x, כדי לשטוף את עודפי המתנול והזרז השיורי מתוך האסתר. ודא שה- pH של הכביסה הסופית ניטרלי על ידי בדיקה עם נייר pH.
  8. מעבירים את שכבת הביודיזל העליונה לבקבוקון יבש ונקי, מוסיפים לבקבוקון Na2SO4 נטול מים, מערבלים את התערובת, ומניחים לתערובת לעמוד כרבע שעה עד שהביודיזל צלול. השתמש במוצר הביודיזל השקוף לאפיון.

3. אפיון ביודיזל

  1. ניתוח אינפרא אדום התמרת פורייה (FT-IR)
    1. הקלט את ספקטרום FT-IR בטווח רחב של 4000-400 ס"מ-1. מדוד כל דגימה על-ידי הוספה משותפת של 16 סריקות ברזולוציה של 4 ס"מ-1. בצע חיסור רקע על-ידי השגת ספקטרום אוויר צח לפני כל סריקת דגימה. זאת כדי להבטיח תיקון בסיסי מדויק ומזעור זיהום הדגימה. לפני כל דגימה חדשה, נקו את צלחת ה-ATR באמצעות מתנול ולאחר מכן יבשו עם מגבונים ללא מוך.
  2. ניתוח תהודה מגנטית גרעינית של פרוטון (1H NMR)
    1. כדי לנתח את ההרכב הכימי של מוצר הביודיזל, רשום את ספקטרום התהודה המגנטית הגרעינית (NMR) של ביודיזל ושמן זית כתית מעולה על ספקטרומטר NMR של 500 MHz בטמפרטורת החדר. באמצעות בדיקה בעלת שיפוע כפול ברזולוציה גבוהה של 5 מ"מ, הכינו כל דגימה על ידי המסת 50 מ"ג של הדגימה ב-0.7 מ"ל כלורופורם מפורק (CDCl 3) המכיל 0.05% טטרמתילסילן (TMS) כתקן פנימי. רכוש ספקטרום NMR של 1H באמצעות תוכנית TOPSPIN עם 16 סריקות והפניה לתקן TMS במהירות של 0.0 עמודים לדקה.
      אזהרה:CDCl 3 מזיק בבליעה ורעיל בשאיפה. זה גורם לגירוי בעור וגירוי עיניים רציני. ללבוש PPE בעת עבודה עם חומר זה.
  3. ניתוח צמיגות
    1. הכינו שתי פיפטות פסטר זכוכית בגודל 5.75 אינץ' ומשאבת פיפטה אחת.
    2. לעשות שני סימנים על כל פיפטה עם עט. הסימן העליון הוא על גוף הפיפטה, והסימן השני הוא על הגבעול הצר, כ-2 ס"מ למעלה מהקצה.
    3. השתמש משאבת פיפטה כדי למלא את פיפטה עם שמן זית כתית מעולה עם המניסקוס בסימן העליון.
    4. הסר את משאבת פיפטה והפעל את שעון העצר. עצור את שעון העצר מכיוון ששמן זית כתית מעולה מגיע לסימן התחתון.
    5. חזור על שלבים 3.3.3 ו- 3.3.4 עם מוצר ביודיזל במקום שמן זית כתית מעולה.
    6. קבע את הצמיגות היחסית של ביודיזל לעומת שמן זית כתית מעולה על ידי תזמון המעבר שלהם דרך פיפטה זכוכית.
      צמיגות יחסית = (זמן שמן)/(זמן ביודיזל).
  4. בדיקות דליקות
    1. טובלים חוט כותנה באורך של כ-2 ס"מ בביו-דיזל וחוט צמר גפן נוסף בשמן זית כתית מעולה. ודא רוויה מלאה של המיתר עם הנוזל המתאים. מניחים את חוטי הכותנה המצופים על רדיד אלומיניום.
    2. באזור מעבדה ייעודי, הרחק מממיסים דליקים, יש להעריך את קלות ההצתה של כל חוט כותנה ולבחון את איכות הלהבה המיוצרת. קבע אם חוט כותנה אחד מתלקח בקלות רבה יותר מהשני. הערך איזה נוזל מפגין יכולות פתילה טובות יותר ואיזה מקיים כוויה חזקה יותר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

בהדגמה זו, תגובת הטרנסאסטריפיקציה של שמן זית כתית מעולה ומתנול, המזורזת על-ידי KOH, מייצרת ביו-דיזל בטמפרטורת החדר באמבט על-קולי (איור 1)5. חומרי המוצא בצינור הצנטריפוגה מראים שהמגיבים אינם ניתנים להפרדה ומחולקים לשתי שכבות כפי שניתן לראות באיור 2A. השכבה העליונה היא תערובת של מתנול ו- KOH ואילו השכבה התחתונה מורכבת משמן זית כתית מעולה. כדי לקדם הומוגניזציה, מומלץ ערבוב מקדים קצר של המגיבים לפני חשיפת צינור הצנטריפוגה לתסיסה קולית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בהדגמה זו, שיטה בסיוע קולי של ייצור בסיס של ביודיזל הוא הבהיר עבור יעילות אופטימלית. לקבלת תוצאות אופטימליות, צינור הצנטריפוגה צריך להיות ממוקם בתוך מלאה במים ולאחר מכן את הכד צריך להיות ממוקם בתוך אמבטיה קולית. תצורה שקועה זו מבטיחה חשיפה יסודית של תערובת התגובה לטיפול האולטרסוני, וממקסמת את יעילותה. אם תרצה, מתלה צנטריפוגות יכול לשמש גם כדי להחליף את הכד בתוך האמבטיה קולית, אשר יכול להפחית עוד יותר את הרעש של ultrasonication.

בחירת ממס נכונה היא מרכיב קריטי נוסף לסינתזה של ביודיזל על ידי סינ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

העבודה נתמכה על ידי קרן הסטארט-אפ של Author YL ופרס שיפור הפדגוגיה (PEA) באוניברסיטת קליפורניה סטייט, סקרמנטו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
כלורופורם-דפישר סיינטיפיק865-49-6&בול; מזיק במקרה של בליעה.
ושור; גורם לגירוי בעור.
ושור; גורם לגירוי חמור בעיניים.
ושור; רעיל בשאיפה.
ושור; חשוד כגורם לסרטן.
ושור; חשוד בפגיעה בפוריות או בילד שטרם נולד.
• גורם נזק לאיברים באמצעות חשיפה ממושכת או חוזרת
אמבטיות אולטרסאונד מחוממות, דיגיטליות, ברנסון אולטרסאונד ברנסון 89375-492
חברת מתנולפישר סיינטיפיק67-56-1נוזל ואדים דליקים מאוד. רעיל במקרה של בליעה, מגע עם העור או במקרה של שאיפה. גורם נזק לאיברים (עיניים).
אשלגן הידרוקסיד חברת פישר סיינטיפיק1310-58-3עשויה להיות קורוזיבית למתכות. מזיק במקרה של בליעה. גורם לכוויות קשות בעור ולנזק לעיניים. גורם לנזק חמור לעיניים
נתרן כלוריסיגמא-אולדריץ'7647-14-5שמנים
צמחייםמזון נפוץ עם היסטוריה ארוכה של שימוש בטוח בחומרי הדברה.
לא מסוכנים

מקורות

  1. Mishra, V. K., Goswami, R. A review of production, properties and advantages of biodiesel. Biofuels. 9 (2), 273-289 (2018).
  2. Talha, N. S., Sulaiman, S. Overview of catalysts in biodiesel production. ARPN J Eng Appl Sci. 11 (1), 439-442 (2016).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Wang, X., Chrzanowski, M., Liu, Y. Ultrasonic-assisted transesterification: A green miniscale organic laboratory experiment. J Chem Edu. 97 (4), 1123-1127 (2020).
  6. Duarte, M. P., Hamilton, A., Naccache, R. Biomass to bioenergy. , Elsevier. (2024).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Suslick, K. S., Nyborg, W. L. Ultrasound: Its chemical, physical and biological effects. J Acoust Soc Am. 87, 919-920 (1990).
  11. 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).
  12. Babu, S. G., Neppolian, B., Ashokkumar, M. Ultrasound-assisted synthesis of nanoparticles for energy and environmental applications. Handbook Ultrason Sonochem. 2, 1-34 (2015).
  13. Banerjee, B. Recent developments on ultrasound assisted catalyst-free organic synthesis. Ultrason Sonochem. 35, 1-14 (2017).
  14. Bang, J. H., Suslick, K. S. Applications of ultrasound to the synthesis of nanostructured materials. Adv Mater. 22 (10), 1039-1059 (2010).
  15. Kaur, N. Ultrasound-assisted green synthesis of five-membered O- and S-heterocycles. Syn Comm. 48 (14), 1715-1738 (2018).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Doudin, K. I. Quantitative and qualitative analysis of biodiesel by NMR spectroscopic methods. Fuel. 284, 119114(2021).
  21. Prat, D., et al. Chem21 selection guide of classical-and less classical-solvents. Green Chem. 18 (1), 288-296 (2016).
  22. 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).
  23. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

טרנס‌استריפיקציה אולטרסוניתסינתזה של ביודיזלביודיזל משמן צמחיכימיה ירוקהאמבט אולטרסוניקטליזה בסיסיתהמרת מתנולקטליזטור KOHתגובה בטמפרטורת הסביבהחומר גלם בר קיימא
הכנה בסיוע אולטראסוני של מוצרי ביודיזל משמנים צמחיים
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.