Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wspomagane ultradźwiękami przygotowanie produktów biodiesel z olejów roślinnych

2.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66689

⸱

19 kwietnia 2024

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

W tym artykule

Podsumowanie

Bezpieczna metoda transestryfikacji wspomagana ultradźwiękami dla olejów roślinnych przy użyciu katalizatora alkalicznego jest przedstawiona tutaj. Metoda ta jest szybka i skuteczna w przygotowywaniu czystych produktów biodiesla.

Streszczenie

Wykorzystując olej roślinny jako zrównoważony surowiec, badanie to przedstawia innowacyjne podejście do transestryfikacji wspomaganej ultradźwiękami do syntezy biodiesla. Ta katalizowana alkaliami procedura wykorzystuje ultradźwięki jako silny wkład energii, ułatwiając szybką konwersję oliwy z oliwek z pierwszego tłoczenia w biodiesel. W tej demonstracji reakcja przebiega w kąpieli ultradźwiękowej w warunkach otoczenia przez 15 minut, co wymaga stosunku molowego oliwy z oliwek z pierwszego tłoczenia do metanolu wynoszącego 1:6 i minimalnej ilości KOH jako katalizatora. Podano również właściwości fizykochemiczne biodiesla. Podkreślając niezwykłe zalety transestryfikacji wspomaganej ultradźwiękami, metoda ta wykazuje znaczne skrócenie czasu reakcji i separacji, osiągając prawie idealną czystość (~100%), wysoką wydajność i znikome wytwarzanie odpadów. Co ważne, korzyści te są osiągane w ramach, w których priorytetem jest bezpieczeństwo i zrównoważony rozwój środowiska. Te przekonujące odkrycia podkreślają skuteczność tego podejścia w przekształcaniu oleju roślinnego w biodiesel, pozycjonując je jako realną opcję zarówno do zastosowań badawczych, jak i praktycznych.

Wprowadzenie

Biodiesel, pozyskiwany z powszechnie stosowanych olejów i tłuszczów pochodzenia roślinnego, jawi się jako zrównoważone rozwiązanie mające na celu zmniejszenie zależności od ropy naftowej1. Ten odnawialny substytut charakteryzuje się zmniejszoną emisją gazów cieplarnianych, w szczególności dwutlenku węgla, przy jednoczesnym wykorzystaniu zrównoważonych zasobów. Ponadto biodiesel ma wyraźną przewagę nad olejem napędowym z ropy naftowej, charakteryzując się składem bezsiarkowym, nietoksycznym charakterem i biodegradowalnością. Jako alternatywa dla konwencjonalnych paliw kopalnych, biodiesel jest zgodny z polityką Organizacji Narodów Zjednoczonych (ONZ) dotyczącą zerowej emisji netto, zmniejszając naszą zależność od nieodnawialnych paliw kopalnych i łagodząc negatywne skutki zmian klimatycznych. Biodiesel oferuje obiecującą drogę do zaspokojenia obecnych potrzeb energetycznych, co czyni go doskonałym wyborem dla bardziej ekologicznej przyszłości2.

Dominująca metoda stosowana do produkcji biodiesla obejmuje transestryfikację, proces chemiczny, w którym trójglicerydy znajdujące się w olejach i tłuszczach reagują z alkoholem, zazwyczaj metanolem lub etanolem, w obecności katalizatora w warunkach podwyższonej temperatury1,2,3,4. W wyniku tej reakcji powstają estry alkilowe kwasów tłuszczowych, główny składnik biodiesla. Różne rodzaje olejów roślinnych służą jako podstawowe surowce do produkcji biodiesla, w tym zarówno oleje jadalne5 (np. oliwa z oliwek z pierwszego tłoczenia i olej kukurydziany), jak i oleje niejadalne6,7,8 (np. olej z nasion kaparów), a także oleje odpadowe9. Metanol jest najczęściej stosowany w tym procesie transestryfikacji, ponieważ jest to stosunkowo niedrogi alkohol. Dodatkowo, szereg katalizatorów, takich jak kwas siarkowy, kwas fosforowy, wodorotlenek potasu, wodorotlenek sodu lub enzymy, takie jak lipaza, może być używany do przyspieszenia procesu transestryfikacji1,2,3,4. Tradycyjnie mieszanina reakcyjna jest podgrzewana pod refluksem przez dłuższy czas, zwykle 30 minut lub dłużej. Ogrzewanie nie jest tak energooszczędne jak ultradźwięki, a jednocześnie stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa5. W związku z tym istnieje potrzeba bezpieczniejszego, szybszego i bardziej energooszczędnego procesu transestryfikacji.

Promieniowanie ultradźwiękowe jawi się jako lepsza alternatywa dla konwencjonalnych źródeł energii, takich jak ciepło, światło i elektryczność, głównie ze względu na zjawisko kawitacji akustycznej10. Zjawisko to, charakteryzujące się powstawaniem, rozszerzaniem się i gwałtownym zapadaniem się pęcherzyków, generujących zlokalizowane gorące punkty o temperaturach sięgających około 5000 K i ciśnieniu 1000 atm. Takie ekstremalne warunki, w połączeniu z szybkim tempem nagrzewania i chłodzenia (ponad 1010 K/s), dostarczają energii niezbędnej do efektywnego zachodzenia szerokiej gamy reakcji chemicznych w temperaturze pokojowej, w tym tych, które wcześniej uważano za nieosiągalne konwencjonalnymi metodami10. Synteza wspomagana ultradźwiękami szybko zyskuje na popularności w różnych obszarach badawczych. Warto zauważyć, że zainteresowanie syntezą wspomaganą ultradźwiękami w syntezie organicznej i materiałach półprzewodnikowych wynika z jej przyjaznego dla środowiska charakteru, efektywności energetycznej i skróconych czasów reakcji w warunkach otoczenia5,11,12,13,14,15,16. Wprowadzono tutaj szybką i skuteczną technikę bezpiecznej transestryfikacji olejów roślinnych wspomaganej ultradźwiękami przy użyciu katalizatora alkalicznego, który w krótkim czasie daje czyste produkty biodiesla. Podczas gdy oliwa z oliwek z pierwszego tłoczenia służy jako medium demonstracyjne w tym badaniu, należy pamiętać, że metoda ultradźwiękowa ma zastosowanie do spektrum olejów roślinnych5,17.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Źródło i przygotowanie oleju

  1. Dodać 2,0 ml metanolu klasy HPLC do probówki wirówkowej o pojemności 15 ml.
    UWAGA: Metanol jest cieczą wysoce łatwopalną. Jest toksyczny w przypadku połknięcia, w kontakcie ze skórą lub w następstwie wdychania i powoduje uszkodzenie oczu. Upewnij się, że nosisz środki ochrony osobistej (PPE) podczas pracy z metanolem i używaj go w dygestorium.
  2. Dodaj jedną granulkę KOH (~0,10 g) do probówki wirówkowej i rozpuść ciało stałe KOH za pomocą myjki ultradźwiękowej (40 kHz), po prostu włączając ultradźwięki.
    UWAGA: KOH jest szkodliwy w przypadku połknięcia. Powoduje poważne oparzenia skóry, uszkodzenia oczu i poważne uszkodzenia oczu. Upewnij się, że nosisz środki ochrony osobistej podczas pracy z tą substancją.
    UWAGA: Aby uzyskać optymalne wyniki, umieść probówkę wirówkową w zlewce wypełnionej wodą, a następnie umieść zlewkę w kąpieli ultradźwiękowej. Ta zanurzona konfiguracja gwarantuje dokładne naświetlenie mieszaniny reakcyjnej promieniowaniem ultradźwiękowym, maksymalizując jej skuteczność.

2. Proces transestryfikacji

  1. Dodaj 8,0 ml oliwy z oliwek z pierwszego tłoczenia do probówki wirówkowej.
  2. Zakręć i zamknij szczelnie probówkę wirówkową i energicznie potrząśnij probówką wirówkową, aby wymieszać olej i roztwór mettlenku potasu.
    UWAGA: Podczas potrząsania probówką wirówki należy szczelnie trzymać nasadkę wirówki.
  3. Poluzuj nakrętkę i włóż probówkę wirówkową do kąpieli ultradźwiękowej. Włącz kąpiel ultradźwiękową na 1 minutę.
  4. Po upływie pierwszych 1 minut szczelnie zamknij nakrętkę wirówki i ponownie energicznie potrząśnij probówką wirówkową.
  5. Poluzuj nakrętkę i umieść mieszaninę reakcyjną w łaźni ultradźwiękowej na kolejne 14 minut.
  6. Przenieść mieszaninę reakcyjną do rozdzielacza i osuszyć dolną warstwę gliceryny.
  7. Przemyć górną warstwę 15 ml nasyconego roztworu NaCl 3x, aby wypłukać nadmiar metanolu i pozostałości katalizatora z estru. Upewnij się, że pH końcowego prania jest neutralne, testując je papierem pH.
  8. Przenieść górną warstwę biodiesla do suchej, czystej fiolki, dodać bezwodny roztwór Na2SO4 do fiolki, zamieszać mieszaninę i pozostawić mieszaninę na około 15 minut, aż biodiesel będzie klarowny. Do charakterystyki należy użyć klarownego produktu biodiesla.

3. Charakterystyka biodiesla

  1. Analiza w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR)
    1. Rejestruj widma FT-IR w szerokim zakresie 4000-400 cm-1. Zmierz każdą próbkę, dodając jednocześnie 16 skanów w rozdzielczości 4 cm-1. Wykonaj odejmowanie tła, uzyskując widmo świeżego powietrza przed każdym skanowaniem próbki. Ma to na celu zapewnienie dokładnej korekty linii bazowej i zminimalizowanie zanieczyszczenia próbki. Przed każdą nową próbką należy oczyścić płytkę ATR za pomocą metanolu, a następnie osuszyć niestrzępiącymi się chusteczkami.
  2. Analiza protonowego magnetycznego rezonansu jądrowego (1H NMR)
    1. Aby przeanalizować skład chemiczny produktu biodiesla, należy zarejestrować widma magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) biodiesla i oliwy z oliwek z pierwszego tłoczenia na spektrometrze NMR 500 MHz w temperaturze pokojowej. Wykorzystując sondę o podwójnym gradiencie o wysokiej rozdzielczości 5 mm, przygotuj każdą próbkę, rozpuszczając 50 mg próbki w 0,7 ml deuterowanego chloroformu (CDCl 3) zawierającego 0,05% tetrametylosilanu (TMS) jako wzorzec wewnętrzny. Uzyskaj widma 1H NMR za pomocą programu TOPSPIN z 16 skanami i odniesieniem do standardu TMS przy 0,0 ppm.
      UWAGA: CDCl3 jest szkodliwy w przypadku połknięcia i toksyczny w przypadku wdychania. Powoduje podrażnienie skóry i poważne podrażnienie oczu. Podczas pracy z tą substancją należy nosić środki ochrony indywidualnej.
  3. Analiza lepkości
    1. Przygotuj dwie szklane pipety Pasteura o średnicy 5,75 cala i jedną pompkę do pipet.
    2. Wykonaj dwa znaczniki na każdej pipecie za pomocą długopisu. Górny znak znajduje się na korpusie pipety, a drugi znak znajduje się na wąskim trzpieniu, około 2 cm w górę od końcówki.
    3. Użyj pompki do pipet, aby napełnić pipetę oliwą z oliwek z pierwszego tłoczenia z łąkotką u góry.
    4. Wyjmij pompkę do pipet i uruchom stoper. Zatrzymaj stoper, gdy oliwa z oliwek z pierwszego tłoczenia osiągnie dolny znak.
    5. Powtórzyć kroki 3.3.3 i 3.3.4 z biodieslem zamiast oliwy z oliwek z pierwszego tłoczenia.
    6. Określ względną lepkość biodiesla w porównaniu z oliwą z oliwek z pierwszego tłoczenia, mierząc czas ich przejścia przez szklaną pipetę.
      Lepkość względna = (czas oleju)/(czas biodiesla).
  4. Testy palności
    1. Zanurz bawełniany sznurek o długości około 2 cm w biodieslu, a drugi bawełniany sznurek w oliwie z oliwek z pierwszego tłoczenia. Upewnij się, że sznurek jest całkowicie nasycony odpowiednią cieczą. Ułóż powlekane bawełniane sznurki na folii aluminiowej.
    2. W wyznaczonym obszarze laboratoryjnym, z dala od łatwopalnych rozpuszczalników, oceń łatwość zapłonu każdego sznurka bawełnianego i obserwuj jakość wytwarzanego płomienia. Określ, czy jeden bawełniany sznurek zapala się łatwiej niż drugi. Oceń, który płyn wykazuje lepsze właściwości odprowadzania wilgoci, a który utrzymuje silniejsze oparzenie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W tym pokazie reakcja transestryfikacji oliwy z oliwek extra virgin i metanolu, katalizowana przez KOH, prowadzi do otrzymania biodiesla w temperaturze pokojowej w kąpieli ultradźwiękowej (Rysunek 1)5. Materiały wyjściowe w probówce do wirowania wykazują, że substraty są niemieszalne i dzielą się na dwie warstwy, co widać na Rysunku 2A. Górna warstwa jest mieszaniną metanolu i KOH, natomiast dolna warstwa składa się z oliwy z oliwek extra...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W ramach tej demonstracji wyjaśniono wspomaganą ultradźwiękami metodę katalizowanej bazą produkcji biodiesla w celu uzyskania optymalnej skuteczności. Aby uzyskać optymalne wyniki, probówkę wirówkową należy umieścić w zlewce wypełnionej wodą, a następnie zlewkę należy umieścić w łaźni ultradźwiękowej. Ta zanurzona konfiguracja gwarantuje dokładne naświetlenie mieszaniny reakcyjnej działaniu ultradźwięków, maksymalizując jej skuteczność. W razie potrzeby stojak wirówkowy może być również użyty do wymiany zlewki wewnątrz k...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Praca była wspierana przez fundusz start-up Author YL oraz Pedagogy Enhancement Award (PEA) na Uniwersytecie Stanowym Kalifornii, Sacramento.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Chloroform-dFisher Scientific865-49-6• Działa szkodliwie po połknięciu.
i bull; Działa drażniąco na skórę.
• Działa drażniąco na oczy.
• Działa toksycznie w następstwie wdychania.
• Podejrzewa się, że powoduje raka.
• Podejrzewa się, że działa szkodliwie na płodność lub działa szkodliwie na dziecko w łonie matki.
• Powoduje uszkodzenie narządów poprzez długotrwałe lub powtarzające się narażenie
Podgrzewane kąpiele ultradźwiękowe, cyfrowe, Branson UltrasonicBranson 89375-492
MetanolFisher Scientific Company67-56-1Wysoce łatwopalna ciecz i para. Działa toksycznie po połknięciu, w kontakcie ze skórą lub w następstwie wdychania. Powoduje uszkodzenie narządów (oczu).
Wodorotlenek potasu Fisher Scientific Company1310-58-3Może powodować korozję metali. Działa szkodliwie po połknięciu. Powoduje poważne oparzenia skóry i uszkodzenia oczu. Powoduje poważne uszkodzenie oczu
Chlorek soduSigma-Aldrich7647-14-5Nie jest bezpieczny
Oleje roślinnePowszechnie spożywany pokarm o długiej historii bezpiecznego stosowania w pestycydach.

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Ultradźwiękowa transestryfikacjasynteza biodieslabiodiesel z olejów roślinnychzielona chemiakąpiel ultradźwiękowakataliza alkalicznakonwersja metanolukatalizator KOHreakcja w temperaturze otoczeniazrównoważone surowce
Wspomagane ultradźwiękami przygotowanie produktów biodiesel z olejów roślinnych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.