Ультразвуковое приготовление биодизельных продуктов из растительных масел
Summary
Здесь представлен безопасный ультразвуковой метод переэтерификации растительных масел с использованием щелочного катализатора. Этот метод является быстрым и эффективным для приготовления чистых биодизельных продуктов.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 зат…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа была поддержана стартап-фондом Author YL и премией Pedagogy Enhancement Award (PEA) в Калифорнийском государственном университете в Сакраменто.
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).
