הכנה בסיוע אולטראסוני של מוצרי ביודיזל משמנים צמחיים
Summary
שיטה בטוחה בסיוע קולי transesterification עבור שמנים צמחיים באמצעות זרז אלקליין מוצג כאן. השיטה מהירה ויעילה להכנת מוצרי ביודיזל טהורים.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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, וממקסמ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה נתמכה על ידי קרן הסטארט-אפ של Author YL ופרס שיפור הפדגוגיה (PEA) באוניברסיטת קליפורניה סטייט, סקרמנטו.
Materials
| 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. |
References
- 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. , (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).
