إعداد بمساعدة الموجات فوق الصوتية من منتجات وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية
Summary
يتم تقديم طريقة transesterification آمنة بمساعدة الموجات فوق الصوتية للزيوت النباتية باستخدام محفز قلوي هنا. هذه الطريقة سريعة وفعالة لإعداد منتجات الديزل الحيوي النقي.
Abstract
باستخدام الزيوت النباتية كمادة وسيطة مستدامة ، تقدم هذه الدراسة نهجا مبتكرا للأسترة العابرة بمساعدة الموجات فوق الصوتية لتخليق وقود الديزل الحيوي. يسخر هذا الإجراء المحفز بالقلوية الموجات فوق الصوتية كمدخل طاقة قوي ، مما يسهل التحويل السريع لزيت الزيتون البكر الممتاز إلى وقود الديزل الحيوي. في هذا العرض التوضيحي ، يتم تشغيل التفاعل في حمام بالموجات فوق الصوتية في ظل الظروف المحيطة لمدة 15 دقيقة ، مما يتطلب نسبة مولار 1: 6 من زيت الزيتون البكر الممتاز إلى الميثانول والحد الأدنى من KOH كمحفز. كما تم الإبلاغ عن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للديزل الحيوي. مع التأكيد على المزايا الرائعة للأسترة العابرة بمساعدة الموجات فوق الصوتية ، توضح هذه الطريقة تخفيضات ملحوظة في أوقات التفاعل والفصل ، وتحقيق نقاء شبه مثالي (~ 100٪) ، وعوائد عالية ، وتوليد نفايات ضئيلة. والأهم من ذلك ، يتم تحقيق هذه الفوائد في إطار يعطي الأولوية للسلامة والاستدامة البيئية. تؤكد هذه النتائج المقنعة على فعالية هذا النهج في تحويل الزيت النباتي إلى وقود الديزل الحيوي ، مما يجعله خيارا قابلا للتطبيق لكل من البحث والتطبيقات العملية.
Introduction
يظهر وقود الديزل الحيوي ، المشتق من الزيوت والدهون النباتية الشائعة ، كحل مستدام لتخفيف الاعتماد على البترول1. يعرض هذا البديل المتجدد انبعاثات غازات الدفيئة المنخفضة ، ولا سيما ثاني أكسيد الكربون ، مع الاعتماد على الموارد المستدامة. علاوة على ذلك ، يقدم وقود الديزل الحيوي مزايا واضحة على الديزل البترولي ، الذي يتميز بتكوينه الخالي من الكبريت ، وطبيعته غير السامة ، وقابليته للتحلل البيولوجي. كبديل للوقود الأحفوري التقليدي ، يتوافق وقود الديزل الحيوي مع سياسة الأمم المتحدة (UN) صافي الصفر من خلال تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري غير المتجدد والتخفيف من الآثار الضارة لتغير المناخ. يوفر وقود الديزل الحيوي مسارا واعدا لتلبية احتياجات الطاقة الحالية ، مما يجعله خيارا قويا لمستقبل أكثر اخضرارا2.
تتضمن الطريقة السائدة المستخدمة لإنتاج وقود الديزل الحيوي الأسترة التبادلية ، وهي عملية كيميائية تتفاعل فيها الدهون الثلاثية الموجودة في الزيوت والدهون مع الكحول ، عادة الميثانول أو الإيثانول ، في وجود محفز تحت ظروف درجات الحرارة المرتفعة1،2،3،4. ينتج عن هذا التفاعل استرات ألكيل الأحماض الدهنية ، المكون الرئيسي للديزل الحيوي. تعمل أنواع مختلفة من الزيوت النباتية كمواد أولية لإنتاج وقود الديزل الحيوي ، بما في ذلك كل من5 الصالحة للأكل (مثل زيت الزيتون البكر الممتاز وزيت الذرة) والزيوت غير الصالحة للأكل6،7،8 (مثل زيت بذور الكبر) ، وكذلك نفاياتالزيوت 9. يستخدم الميثانول بشكل شائع في عملية الأسترة التبادلية هذه لأنه كحول غير مكلف نسبيا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مجموعة من العوامل الحفازة مثل حمض الكبريتيك أو حمض الفوسفوريك أو هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم أو إنزيمات مثل الليباز لتسريع عملية الأسترة العابرة1،2،3،4. تقليديا ، يتم تسخين خليط التفاعل تحت الارتجاع لفترات طويلة ، عادة 30 دقيقة أو أكثر. التدفئة ليست موفرة للطاقة مثل الموجات فوق الصوتية في حين تشكل أيضا مخاطر السلامة5. وبالتالي ، هناك حاجة إلى عملية أسترة أكثر أمانا وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
يظهر التشعيع بالموجات فوق الصوتية كبديل متفوق لمصادر الطاقة التقليدية مثل الحرارة والضوء والكهرباء ، ويرجع ذلك أساسا إلى ظاهرة التجويف الصوتي10. تتميز هذه الظاهرة بتكوين الفقاعات وتمددها وانهيارها العنيف ، مما يولد نقاط ساخنة محلية تصل درجات الحرارة إلى حوالي 5000 كلفن وضغوط 1000 ضغط جوي. توفر هذه الظروف القاسية ، إلى جانب معدلات التسخين والتبريد السريعة (أكثر من 1010 K / s) ، الطاقة اللازمة لمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية لتحدث بكفاءة في درجة حرارة الغرفة ، بما في ذلك تلك التي كانت تعتبر في السابق غير قابلة للتحقيق بالوسائل التقليدية10. التوليف بمساعدة الموجات فوق الصوتية يكتسب بسرعة الأرض عبر مجالات بحثية متنوعة. والجدير بالذكر أن الاهتمام بالتوليف بمساعدة الموجات فوق الصوتية في التخليق العضوي ومواد الحالة الصلبة مدفوع بطبيعته الصديقة للبيئة وكفاءة الطاقة وأوقات التفاعل المختصرة في ظل الظروف المحيطة5،11،12،13،14،15،16. يتم تقديم تقنية سريعة وفعالة هنا للأسترة الآمنة بمساعدة الموجات فوق الصوتية للزيوت النباتية باستخدام محفز قلوي ينتج منتجات وقود الديزل الحيوي النقي في إطار زمني قصير. في حين أن زيت الزيتون البكر الممتاز بمثابة وسيلة توضيحية في هذه الدراسة ، فمن الضروري ملاحظة أن طريقة الموجات فوق الصوتية تحمل قابلية التطبيق على مجموعة من الزيوت النباتية 5,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا العرض التوضيحي ، يتم توضيح طريقة بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإنتاج وقود الديزل الحيوي المحفز بالقاعدة لتحقيق الفعالية المثلى. للحصول على أفضل النتائج ، يجب وضع أنبوب الطرد المركزي داخل دورق مملوء بالماء ثم يجب وضع الدورق داخل الحمام بالموجات فوق الصوتية. يضمن هذا التكوين المغمور …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم العمل من قبل صندوق بدء تشغيل المؤلف YL وجائزة تعزيز علم أصول التدريس (PEA) في جامعة ولاية كاليفورنيا ، ساكرامنتو.
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).
