식물성 기름에서 바이오 디젤 제품의 초음파 보조 준비
Summary
알칼리성 촉매를 사용하는 식물성 기름에 대한 안전한 초음파 보조 에스테르 교환 방법이 여기에 제시되어 있습니다. 이 방법은 순수 바이오디젤 제품을 준비하는 데 빠르고 효율적입니다.
Abstract
식물성 기름을 지속 가능한 공급 원료로 활용하는 이 연구는 바이오디젤 합성을 위한 초음파 보조 에스테르 교환에 대한 혁신적인 접근 방식을 제시합니다. 이 알칼리 촉매 시술은 초음파를 강력한 에너지 입력으로 활용하여 엑스트라 버진 올리브 오일을 바이오 디젤로 빠르게 전환하는 데 도움을 줍니다. 이 시연에서 반응은 주변 조건의 초음파 수조에서 15분 동안 실행되며, 엑스트라 버진 올리브 오일과 메탄올의 1:6 몰 비율과 촉매로 최소량의 KOH가 필요합니다. 바이오디젤의 물리화학적 특성도 보고되고 있습니다. 초음파 보조 에스테르 교환의 놀라운 이점을 강조하는 이 방법은 반응 및 분리 시간의 현저한 감소를 보여주며 거의 완벽한 순도(~100%), 높은 수율 및 무시할 수 있는 폐기물 생성을 달성합니다. 중요한 것은 이러한 이점이 안전과 환경적 지속 가능성을 우선시하는 프레임워크 내에서 달성된다는 것입니다. 이러한 설득력 있는 발견은 식물성 기름을 바이오디젤로 전환하는 데 있어 이 접근 방식의 효과를 강조하여 연구 및 실제 응용 분야 모두에서 실행 가능한 옵션으로 자리매김하고 있습니다.
Introduction
일반적인 식물성 오일과 지방에서 추출한 바이오디젤은 석유에 대한 의존도를 완화하기 위한 지속 가능한 솔루션으로 부상하고 있습니다1. 이 재생 가능한 대체품은 지속 가능한 자원에 의존하면서 온실 가스 배출, 특히 이산화탄소를 줄이는 것을 보여줍니다. 또한, 바이오디젤은 석유 디젤에 비해 뚜렷한 장점을 가지고 있으며, 무황 구성, 무독성 및 생분해성을 특징으로 합니다. 기존 화석 연료의 대안인 바이오디젤은 재생 불가능한 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 기후 변화의 부작용을 완화함으로써 유엔(UN)의 넷 제로 정책과 일치합니다. 바이오디젤은 현재의 에너지 수요를 충족할 수 있는 유망한 방법을 제공하여 보다 친환경적인 미래를 위한 강력한 선택입니다2.
바이오 디젤 생산에 사용되는 주된 방법은 오일 및 지방에서 발견되는 트리글리세라이드가 고온 조건 1,2,3,4에서 촉매의 존재 하에 알코올(일반적으로 메탄올 또는 에탄올)과 반응하는 화학 공정인 에스테르 교환(transesterification)을 포함합니다. 이 반응은 바이오디젤의 주성분인 지방산 알킬 에스테르를 생성합니다. 다양한 종류의 식물성 오일이 바이오디젤 생산을 위한 주요 공급 원료로 사용되며, 여기에는 식용 오일5(예: 엑스트라 버진 올리브 오일 및 옥수수 오일) 및 비식용 오일(예: 케이퍼 씨 오일)6,7,8 및 폐유9가 포함된다. 메탄올은 상대적으로 저렴한 알코올이기 때문에 이러한 에스테르 교환 공정에 가장 일반적으로 사용됩니다. 또한, 황산, 인산, 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 리파아제와 같은 효소와 같은 일련의 촉매를 사용하여 에스테르 교환 공정 1,2,3,4를 촉진할 수 있습니다. 전통적으로, 반응 혼합물은 장기간, 전형적으로 30분 이상 환류 하에 가열됩니다. 가열은 초음파만큼 에너지 효율적이지 않으며 안전 위험을 초래합니다5. 결과적으로, 더 안전하고 빠르며 에너지 효율적인 에스테르 교환 공정이 필요합니다.
초음파 조사는 주로 음향 캐비테이션 (acoustic cavitation)현상 (10)으로 인해 열, 빛 및 전기와 같은 기존 에너지 원에 대한 우수한 대안으로 부상하고 있습니다. 이 현상은 기포의 형성, 팽창 및 격렬한 붕괴를 특징으로하며 온도가 약 5000K에 이르고 압력이 1000 기압에 달하는 국부적인 핫스팟을 생성합니다. 이러한 극한 조건은 빠른 가열 및 냉각 속도(1010 K/s 이상)와 결합되어 실온에서 효율적으로 발생하는 다양한 화학 반응에 필요한 에너지를 제공하며, 이는 이전에는 기존의 방법으로는 달성할 수 없는 것으로 간주되었던 반응입니다(10). 초음파 보조 합성은 다양한 연구 분야에서 빠르게 입지를 다지고 있습니다. 특히, 유기 합성 및 고체 물질에서 초음파 보조 합성에 대한 관심은 환경 친화적 인 특성, 에너지 효율성 및 주변 조건 5,11,12,13,14,15,16에서 단축 된 반응 시간에 의해 주도됩니다 . 알칼리성 촉매를 사용하여 식물성 오일의 안전한 초음파 보조 에스테르 교환을 위한 신속하고 효과적인 기술이 소개되어 짧은 시간 내에 순수한 바이오디젤 제품을 생산합니다. 엑스트라 버진 올리브 오일이 이 연구에서 시연 매체 역할을 하지만, 초음파 방법이 다양한 식물성 오일 5,17에 적용할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 시연에서는 바이오디젤의 염기 촉매 생산의 초음파 보조 방법이 최적의 효능을 위해 설명됩니다. 최적의 결과를 얻으려면 원심 분리기 튜브를 물로 채워진 비커 안에 넣은 다음 비커를 초음파 수조 내에 넣어야합니다. 이 침지 구성은 반응 혼합물을 초음파 처리에 철저히 노출시켜 효과를 극대화합니다. 원하는 경우 원심 분리기 랙을 사용하여 초음파 수조 내부의 비커를 교체 할 수도 있으며,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 저자 YL의 창업 기금과 새크라멘토 캘리포니아 주립 대학의 PEA(Pedagogy Enhancement Award)의 지원을 받았습니다.
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. |
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