Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Ультразвуковое приготовление биодизельных продуктов из растительных масел

2.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/66689

⸱

19 апреля 2024 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь представлен безопасный ультразвуковой метод переэтерификации растительных масел с использованием щелочного катализатора. Этот метод является быстрым и эффективным для приготовления чистых биодизельных продуктов.

Аннотация

Используя растительное масло в качестве устойчивого сырья, это исследование представляет собой инновационный подход к ультразвуковой переэтерификации для синтеза биодизельного топлива. Эта процедура, катализируемая щелочью, использует ультразвук в качестве мощного источника энергии, способствуя быстрому преобразованию оливкового масла первого холодного отжима в биодизельное топливо. В данной демонстрации реакцию протекают в ультразвуковой ванне при температуре окружающей среды в течение 15 минут, при этом требуется молярное соотношение оливкового масла первого холодного отжима и метанола в соотношении 1:6 и минимальное количество KOH в качестве катализатора. Также сообщается о физико-химических свойствах биодизеля. Подчеркивая замечательные преимущества ультразвуковой переэтерификации, этот метод демонстрирует заметное сокращение времени реакции и разделения, достигая почти идеальной чистоты (~100%), высокого выхода и незначительного образования отходов. Важно отметить, что эти преимущества достигаются в рамках системы, в которой приоритет отдается безопасности и экологической устойчивости. Эти убедительные результаты подчеркивают эффективность этого подхода в преобразовании растительного масла в биодизельное топливо, позиционируя его как жизнеспособный вариант как для исследований, так и для практического применения.

Введение

Биодизельное топливо, получаемое из обычных растительных масел и жиров, является устойчивым решением для снижения зависимости от нефти1. Этот возобновляемый заменитель демонстрирует сокращение выбросов парниковых газов, особенно углекислого газа, при одновременном использовании устойчивых ресурсов. Кроме того, биодизельное топливо имеет явные преимущества по сравнению с нефтяным дизельным топливом, характеризующимся своим бессернистым составом, нетоксичностью и биоразлагаемостью. В качестве альтернативы традиционным ископаемым видам топлива биодизельное топливо соответствует политике Организации Объединенных Наций (ООН) по достижению нулевого уровня выбросов, снижая нашу зависимость от невозобновляемых ископаемых видов топлива и смягчая негативные последствия изменения климата. Биодизель предлагает многообещающий путь к удовлетворению текущих потребностей в энергии, что делает его мощным выбором для более экологичного будущего2.

Преобладающий метод, используемый для производства биодизельного топлива, включает переэтерификацию, химический процесс, при котором триглицериды, содержащиеся в маслах и жирах, вступают в реакцию со спиртом, обычно метанолом или этанолом, в присутствии катализатора при повышенных температурах 1,2,3,4. В результате этой реакции образуются алкиловые эфиры жирных кислот, которые являются основным компонентом биодизеля. В качестве первичного сырья для производства биодизельного топлива используются различные виды растительных масел, включая как пищевые5 (например, оливковое масло первого холодного отжима и кукурузное масло), так и непищевые масла 6,7,8 (например, масло семян каперсов), а также отработанные масла9. Метанол чаще всего используется для этого процесса переэтерификации, поскольку это относительно недорогой спирт. Кроме того, ряд катализаторов, таких как серная кислота, фосфорная кислота, гидроксид калия, гидроксид натрия или ферменты, такие как липаза, могут быть использованы для ускорения процесса переэтерификации 1,2,3,4. Традиционно реакционную смесь нагревают под действием дефлегмации в течение длительных периодов времени, обычно 30 минут или более. Отопление не так энергоэффективно, как ультразвук, но также создает риски для безопасности5. Следовательно, существует потребность в более безопасном, быстром и энергоэффективном процессе переэтерификации.

Ультразвуковое облучение является превосходной альтернативой традиционным источникам энергии, таким как тепло, свет и электричество, в первую очередь благодаря явлению акустическойкавитации. Это явление, характеризующееся формированием, расширением и сильным схлопыванием пузырьков, порождающих локализованные горячие точки с температурой, достигающей примерно 5000 К, и давлением 1000 атм. Такие экстремальные условия в сочетании с быстрыми скоростями нагрева и охлаждения (более10-10 К/с) обеспечивают необходимую энергию для эффективного протекания широкого спектра химических реакций при комнатной температуре, включая те, которые ранее считались недостижимымиобычными средствами. Ультразвуковой синтез быстро завоевывает популярность в различных областях исследований. В частности, интерес к ультразвуковому синтезу в органическом синтезе и твердотельных материалах обусловлен его экологичностью, энергоэффективностью и сокращенным временем реакции в условиях окружающей среды 5,11,12,13,14,15,16 . Здесь представлен быстрый и эффективный метод безопасной ультразвуковой переэтерификации растительных масел с использованием щелочного катализатора с получением чистых биодизельных продуктов в короткие сроки. В то время как оливковое масло первого холодного отжима служит в качестве демонстрационной среды в данном исследовании, необходимо отметить, что ультразвуковой метод применим к спектру растительных масел 5,17.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Источник и подготовка нефти

  1. Добавьте 2,0 мл метанола класса ВЭЖХ в центрифужную пробирку объемом 15 мл.
    ВНИМАНИЕ: Метанол является легковоспламеняющейся жидкостью. Он токсичен при проглатывании, контакте с кожей или при вдыхании и вызывает повреждение глаз. Обязательно надевайте средства индивидуальной защиты (СИЗ) при работе с метанолом и используйте их в вытяжном шкафу.
  2. Добавьте одну гранулу KOH (~0,10 г) в пробирку центрифуги и растворите твердое вещество KOH с помощью ультразвукового очистителя (40 кГц), просто включив ультразвуковой.
    ВНИМАНИЕ: KOH вреден при проглатывании. Он вызывает серьезные ожоги кожи, повреждение глаз и серьезные повреждения глаз. Обязательно надевайте СИЗ при работе с этим веществом.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для достижения оптимальных результатов поместите трубку центрифуги в стакан, наполненный водой, а затем поместите стакан в ультразвуковую ванну. Такая погружная конфигурация гарантирует тщательное воздействие ультразвукового облучения на реакционную смесь, максимально повышая ее эффективность.

2. Процесс переэтерификации

  1. Добавьте 8,0 мл оливкового масла первого холодного отжима в пробирку центрифуги.
  2. Плотно закройте трубку центрифуги и энергично встряхните трубку центрифуги, чтобы смешать масло и раствор метоксида калия.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Держите крышку центрифуги плотно закрытой при встряхивании центрифужной пробирки.
  3. Ослабьте крышку и поместите пробирку центрифуги в ультразвуковую ванну. Включите ультразвуковую ванну на 1 минуту.
  4. По истечении первой 1 минуты плотно закройте крышку центрифуги и снова энергично встряхните пробирку центрифуги.
  5. Ослабьте крышку и поставьте реакционную смесь в ультразвуковую ванну еще на 14 минут.
  6. Переложите реакционную смесь в разделительную воронку и слейте нижний слой глицерина.
  7. Промойте верхний слой 15 мл насыщенного раствора NaCl в 3 раза, чтобы вымыть избыток метанола и остатки катализатора из эфира. Убедитесь, что pH окончательной стирки нейтрален, проверив его с помощью бумаги pH.
  8. Переложите верхний слой биодизеля в сухую чистую пробирку, добавьте в флакон безводный Na2SO4, перемешайте смесь и дайте смеси постоять около 15 минут, пока биодизельное топливо не станет прозрачным. Используйте прозрачный биодизельный продукт для определения характеристик.

3. Определение характеристик биодизеля

  1. Инфракрасный анализ с преобразованием Фурье (ИК-Фурье)
    1. Запись ИК-Фурье спектров в широком диапазоне 4000-400 см-1. Измерьте каждый образец, сложив 16 сканов с разрешением 4 см-1. Выполняйте фоновое вычитание, получая спектр свежего воздуха перед каждым сканированием образца. Это необходимо для обеспечения точной коррекции исходного уровня и минимизации загрязнения пробы. Перед каждым новым образцом очищайте пластину ATR с помощью метанола, а затем вытирайте их безворсовыми салфетками.
  2. Протонный ядерный магнитно-резонансный анализ (1Н ЯМР)
    1. Чтобы проанализировать химический состав биодизельного продукта, запишите спектры ядерного магнитного резонанса (ЯМР) биодизеля и оливкового масла первого холодного отжима на ЯМР-спектрометре с частотой 500 МГц при комнатной температуре. Используя двойной градиентный зонд высокого разрешения 5 мм, подготовьте каждый образец, растворив 50 мг образца в 0,7 мл дейтерированного хлороформа (CDCl3), содержащего 0,05% тетраметилсилана (ТМС) в качестве внутреннего стандарта. Получение спектров ЯМР 1Н с помощью программы TOPSPIN с 16 сканированиями и привязкой к стандарту TMS с концентрацией 0,0 ppm.
      ВНИМАНИЕ: CDCl3 вреден при проглатывании и токсичен при вдыхании. Он вызывает раздражение кожи и серьезное раздражение глаз. При работе с этим веществом надевайте СИЗ.
  3. Анализ вязкости
    1. Подготовьте две стеклянные пипетки Пастера диагональю 5,75 дюйма и одну дозаторную помпу.
    2. Сделайте две отметки на каждой пипетке с помощью ручки. Верхняя метка находится на корпусе пипетки, а вторая метка — на узком стержне, примерно в 2 см вверх от кончика.
    3. С помощью дозатора наполните пипетку оливковым маслом первого холодного отжима с мениском на верхней отметке.
    4. Снимите дозатор и запустите секундомер. Остановите секундомер, когда оливковое масло первого холодного отжима достигнет нижней отметки.
    5. Повторите шаги 3.3.3 и 3.3.4 с биодизельным продуктом вместо оливкового масла первого холодного отжима.
    6. Определите относительную вязкость биодизеля по сравнению с оливковым маслом первого холодного отжима, засекая время их прохождения через стеклянную пипетку.
      Относительная вязкость = (время работы масла)/(время биодизеля).
  4. Испытания на воспламеняемость
    1. Погрузите хлопчатобумажную нить длиной примерно 2 см в биодизельное топливо, а другую хлопчатобумажную нить — в оливковое масло первого холодного отжима. Обеспечьте полное насыщение струны соответствующей жидкостью. Поместите хлопчатобумажные нити с покрытием на алюминиевую фольгу.
    2. В специально отведенном для этого лабораторном месте, вдали от легковоспламеняющихся растворителей, оцените легкость розжига каждой хлопчатобумажной нити и понаблюдайте за качеством производимого пламени. Определите, зажигается ли одна хлопчатобумажная нить легче, чем другая. Оцените, какая жидкость обладает превосходными впитывающими свойствами, а какая выдерживает более сильное горение.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В этой демонстрации реакция переэтерификации оливкового масла первого холодного отжима и метанола, катализируемая KOH, позволяет получить биодизельное топливо при комнатной температуре в ультразвуковой ванне (Рисунок 1)5. Исходные материалы в центрифужной пробирке показывают, что реагенты несмешиваются и разделены на два слоя, как показано на рисунке 2A. Верхний слой представляет собой смесь метанола и KOH, а нижний слой состоит из оливко...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В данной демонстрации для достижения оптимальной эффективности объясняется ультразвуковой метод производства биодизельного топлива с использованием ультразвука. Для достижения оптимальных результатов пробирку центрифуги следует поместить внутрь стакана, наполненного водой, а затем стакан следует поместить в ультразвуковую ванну. Такая погружная конфигурация гарантирует тщательное воздействие на реакционную смесь ультразвуковой обработки, максимизируя ее эффективность. При желании штатив для центрифуг также можно использо...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Работа была поддержана стартап-фондом Author YL и премией Pedagogy Enhancement Award (PEA) в Калифорнийском государственном университете в Сакраменто.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Хлороформ-dFisher Scientific865-49-6• Вреден при проглатывании.
и бык; Вызывает раздражение кожи><. Вызывает серьезное раздражение глаз><. Токсичен при вдыхании.
• Подозревается в возникновении рака.
• Подозревается в причинении вреда фертильности или будущему ребенку><. Вызывает повреждение органов при длительном или многократном воздействии
Подогреваемые ультразвуковые ванны, цифровые, ультразвуковые ванны BransonBranson 89375-492
МетанолФишер Научная компания67-56-1Легковоспламеняющиеся жидкости и пары. Токсичен при проглатывании, контакте с кожей или при вдыхании. Вызывает повреждение органов (глаз).
Гидроксид калия Fisher Scientific Company1310-58-3Может вызывать коррозию металлов. Вреден при проглатывании. Вызывает сильные ожоги кожи и повреждение глаз. Вызывает серьезное повреждение глаз
Хлорид натрияSigma-Aldrich7647-14-5Не опасен
РастительныеШироко употребляемая пища с долгой историей безопасного использования в пестицидах.
масла

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Ультразвуковая переэтерификациясинтез биодизелябиодизель из растительного маслазеленая химияультразвуковая банящелочной катализконверсия метанолакатализатор KOHреакция при температуре окружающей средыустойчивое сырье
Ультразвуковое приготовление биодизельных продуктов из растительных масел
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.