نوع مقاله : مقاله پژوهشی
تازه های تحقیق
امروزه با افزایش نگرانیها درباره کاهش منابع سوختهای فسیلی و تأثیرات زیست محیطی ناشی از مصرف آنها، توجه جوامع به سمت یافتن سوختهای تجدیدپذیر و پایدار معطوف شده است. در حال حاضر، سوختهای فسیلی تقریباً ۳۵ درصد از انرژی مصرفی جهان را تشکیل میدهند و استفاده بیرویه از آنها علاوه بر کاهش ذخایر نفت، موجب افزایش انتشار گازهای گلخانهای و تغییرات اقلیمی میشود [1، 2]. بیودیزل، سوختی است که از روغنهای گیاهی، چربیهای حیوانی و روغنهای غیرخوراکی استخراج میشود و به عنوان جایگزینی پاک و پایدار برای دیزل نفتی شناخته شده است[3، 4]. این سوخت دارای مزایایی مانند قابلیت تجزیه، انتشار کمتر آلایندههای مضر، عدد ستان بالاتر و خواص روانکنندگی بهتر است که آن را گزینهای دوستدار محیط زیست و اقتصادی میسازد [5].
تولید بیودیزل عموماً از طریق فرآیندهای استریفیکاسیون و ترانس استریفیکاسیون انجام میشود که در آن از کاتالیستهای همگن قلیایی یا اسیدی استفاده میشود. اما این کاتالیستها با مشکلاتی مانند تشکیل صابون، دشواری در جداسازی، خورندگی راکتورها و حساسیت به کیفیت خوراک (خصوصاً میزان اسیدهای چرب آزاد و آب) مواجه هستند. برای رفع این محدودیتها، کاتالیستهای ناهمگن مورد توجه قرار گرفتهاند که به دلیل قابلیت بازیابی آسان، امکان استفاده مجدد و کاهش اثرات
زیستمحیطی، گزینههای مناسبی برای این فرآیند هستند. در میان این کاتالیستها، زئولیتها عملکرد قابل توجهی در فرآیند تولید بیودیزل دارند[6-8].
زئولیتها گروهی از مواد معدنی کریستالی هستند که ساختار آنها از شبکهای سه بعدی از عنصرهای سیلیسیم، آلومینیوم و اکسیژن تشکیل شده است. این ساختار منحصربهفرد، باعث ایجاد منافذ و کانالهای منظمی میشود که آنها را به کاتالیستهای بسیار متنوع و پرکاربرد تبدیل میکند. این منافذ باعث افزایش سطح فعال کاتالیست و دسترسی بهتر واکنشدهندهها به محلهای فعال میشود. علاوه بر این، زئولیتها دارای دو نوع سایت اسیدی اصلی برونستد و لوئیس هستند که به ترتیب نقش تأمین پروتون و جذب الکترون را در واکنشها ایفا میکنند [9،10]. در فرآیند تولید بیودیزل، وجود سایتهای اسیدی با چگالی مناسب، نقش مهمی در تسریع واکنشهای (ترانس) استریفیکاسیون ایفا میکند. خاصیت اسیدی زئولیتها با نسبت سیلیسیم به آلومینیوم (Si/Al) تنظیم و کنترل میشود. این قابلیت تنظیم اسیدیته، توانسته است بازده بالایی در تبدیل اسیدهای چرب آزاد به بیودیزل ارائه دهد. این کاتالیست بهدلیل خاصیت آبگریزی سطح، از جذب آب تولید شده در واکنش جلوگیری کرده و در نتیجه راندمان واکنش را افزایش میدهد. خاصیت آبگریزی مانع از کاهش فعالیت کاتالیست و جلوگیری از واکنشهای جانبی ناخواسته مانند صابونی شدن میشود. انواع مختلف زئولیتها، مانند ZSM-5 و مردنیت، هر کدام با نسبتهای مختلف سیلیسیم به آلومینیوم در تولید بیودیزل از خوراکهای دارای اسید چرب آزاد متفاوت، عملکردهای متفاوتی دارند[10-13].
روغن دانههای چریش بهعنوان یکی از منابع نسل دوم تولید بیودیزل انتخاب شده است، زیرا این دسته از منابع (نظیر ضایعات کشاورزی و گیاهان غیرخوراکی) بهدلیل در دسترس بودن، هزینهی پایین، و عدم رقابت با زنجیره غذایی انسان و دام مورد توجه ویژه قرار دارند. گیاه چریش بومی مناطق گرمسیری است و در جنوب ایران، بهویژه استان هرمزگان بهصورت طبیعی رشد کرده و در برخی نواحی نیز کشت میشود. این گیاه بهدلیل نداشتن کاربرد اقتصادی و خوراکی قابلتوجه و دارا بودن درصد روغن بالا در دانهها، گزینهای مناسب برای تولید بیودیزل بهشمار میرود [14، 15].
فرآیند الکتروشیمیایی نسبت به فرآیندهای حرارتی دارای مزایای متعددی است. در این روش، به دلیل انجام واکنش در دمای محیط و فشار اتمسفریک، نیاز به مصرف انرژی بالا برای گرمایش وجود ندارد که این امر منجر به کاهش هزینههای عملیاتی و افزایش پایداری زیستمحیطی میشود. همچنین این فرآیند در مقایسه با روشهای حرارتی، محدودیتی از نظر نوع خوراک ورودی ندارد؛ به طوری که حتی در حضور مقادیر بالای اسیدهای چرب آزاد (FFAs) یا آب، بازده واکنش کاهش نمییابد. در سامانه الکتروشیمیایی، آب موجود در محیط در اطراف الکترودها تفکیک شده و یونهای هیدروژن (در آند) و یونهای هیدروکسید (در کاتد) تولید میشوند. یونهای هیدروژن نقش کاتالیستی اسیدی و یونهای هیدروکسید در واکنش با متانول، یون متوکسید (کاتالیست بازی) را تشکیل میدهند. در نتیجه، هر دو فرآیند استریفیکاسیون و ترانساستریفیکاسیون بهصورت همزمان انجام میگیرند که موجب کاهش زمان واکنش و افزایش بازده کلی میشود [18-16].
در این مطالعه، مقایسه عملکرد دو کاتالیست زئولیت ZSM-5 و مردنیت سولفاته شده برای تولید بیودیزل از روغن چریش با استفاده از روش الکتروشیمیایی مورد بررسی قرار گرفته است. ساختار و عملکرد کاتالیستها با روشهای متنوعی مانند FT-IR، XRD،EDX، BET و NH3-TPD شناسایی شده و کیفیت محصول نهایی براساس استانداردهای ASTM ارزیابی میشود. هدف از این تحقیق توسعه فرآیندی اقتصادی و کارآمد برای تولید بیودیزل است که از مزایای روش الکتروشیمیایی و کاتالیستهای ناهمگن بهرهمند باشد و به سمت انرژیهای تجدیدپذیر حرکت کند.
عنوان مقاله English
نویسندگان English
In this study, the performance of two catalysts, ZSM-5 zeolite and sulfated mordenite, for the production of biodiesel from neem oil using an electrochemical method has been investigated. The structure and performance of the catalysts have been characterized by various methods such as FT-IR, XRD, EDX, BET and NH3-TPD, and the quality of the final product has been evaluated based on ASTM standards. The aim of this research is to develop an economical and efficient process for biodiesel production that benefits from the advantages of electrochemical method and heterogeneous catalysts and moves towards renewable energies.
Most of the materials used in the experiment, including oleic acid, palmitic acid, stearic acid, methanol (99%), tetrahydrofuran (THF), sodium chloride, sulfuric acid (98%), potassium hydroxide, normal hexane and solid phenolphthalein were purchased from Merck, Germany. Zeolite ZSM-5 was purchased from Sigma-Aldrich, USA. Mordenite was purchased from Zeolite International Company in Semnan and neem seeds were purchased from Bandar Abbas.
All experiments were performed in a glass jacketed reactor. The electrodes used for this study were two graphite electrodes of the same type and size (1 cm × cm2) and with an internal distance of 1 cm.
In this study, chromatographic analysis (GC) was used to qualitatively and quantitatively measure biodiesel production. The model of the device used was 7890A and the capillary columns used in the Rtx-5 MS and HP-5 device. Also, quantitative FT-IR analysis was used to identify the biodiesel produced, with the FT/IR- Bruker/tensor 27 device model.
Also, in this study, analyses were used to identify the properties of the catalyst. To identify the crystalline phase of the catalyst, functional groups, specific surface area, acidity, morphology and elemental analysis, XRD (with Philips Xpert X-ray diffractometer device model), FT-IR (with FT-IR/ Bruker/tensor 27 device model), BET (with Microtrac BEL Corp device model), NH3-TPD (with Chemisorption Analyzer, NanoSORD (made by Sensiran Co., Iran)), EDX-Mapping (with FESEM device model, ZEISS, Germany, Sigma VP), were used, respectively.
To investigate the extracted fatty acids, GC analysis with mass detector was used. Through GC-MS analysis, it was determined that the most abundant fatty acids in the extracted oil are oleic acid, palmitic acid, and stearic acid. Their respective amounts are reported in Table 1. Eicosanoic acid is another fatty acid present in the extracted oil, which was less than 0.1%.
In this study, the production of biodiesel from FFAs present in synthetic neem oil was investigated and compared by electrochemical method in the presence of two types of zeolite catalysts including Nano-zeolite ZSM-5 and Nano-sulfated mordenite.
The reaction mixture consisted of synthetic neem oil (initial feed), methanol, THF (as co-solvent), sodium chloride (as electrolyte), distilled water and catalyst. All reactions were carried out at ambient temperature. Each of the parameters including molar ratio of methanol to oil at three levels of 10, 20 and 30, voltage applied to the system at levels of 10, 25 and 40 V, reaction time in the range of 1, 2 and 3 hours and catalyst amount of 2, 4 and 6 wt% were tested and finally their optimal amount was obtained and reported. Also, the molar ratio of THF/Oil (cosolvent to oil) was 10:1, the amount of NaCl to oil was 1% by weight, and the amount of distilled water based on the total weight of the solution was 2% by weight. The water in the electrochemical system is hydrolyzed around the anode and cathode electrodes, producing hydrogen ions (reaction 2) and hydroxide ions, respectively. The hydrogen ion produced can act as an acid catalyst for the reaction, the mechanism of which will be examined in the catalysts section. The hydroxide ion produced by the reaction with methanol produces methoxide ion, which is a very strong nucleophile and can act as a base catalyst. Therefore, by hydrolyzing water and simultaneously producing hydroxide and hydrogen ions in the system, both esterification and transesterification processes are carried out simultaneously, so if the feed contains a high amount of acid, it does not cause a problem in the reaction path. Another advantage of electrochemical reactions is that they can be carried out at ambient temperature, saving high energy consumption and being relatively inexpensive [19]. The mechanism of action of both catalysts included the role of Lewis and Brønsted acidic sites in activating the carbonyl group of FFAs and facilitating nucleophilic attack. However, the sulfated mordenite catalyst, due to the presence of sulfate groups with high electronegativity, stronger acidity, and increased surface hydrophobicity, led to more effective adsorption of FFAs and faster removal of produced water molecules, and showed higher efficiency than ZSM-5 zeolite in converting free fatty acids to fatty acid methyl ester (biodiesel). The results of this study show that the choice of zeolite type and its surface modification have a significant impact on the efficiency and speed of the biodiesel production process in electrochemical systems.
Conclusion
Biodiesel has the potential to replace fossil fuels. In this study, the esterification process of synthetic neem seed oil was investigated using electrochemical method in the presence of zeolite catalysts. Zeolites have high potential for activity in this type of processes due to the presence of Lewis and Brønsted acidic sites inside and on the surface of their structure.
The findings of this study showed that the sulfuric acid-modified mordenite catalyst (0.5 M sulfated mordenite) performed much better than the ZSM-5 zeolite catalyst in the esterification process of neem seed oil. Analysis of the catalyst characterization results, especially the EDX-Mapping test, revealed the reason for this superiority. The silicon to aluminum (Si/Al) ratio is known as a key indicator in improving the efficiency of zeolite catalysts; increasing this ratio increases the hydrophobicity of the catalyst surface and reduces the possibility of reaction reversal or side reactions. The results showed that the Si/Al ratio for ZSM-5 is 2.22 and for 0.5 M sulfated mordenite is 25.07. In addition, the sulfation process causes the attachment of sulfate functional groups to the catalyst surface. Due to their strong electron-withdrawing properties, these groups significantly strengthen Lewis and Brønsted acids, thereby improving the reaction mechanism.
The effect of operating parameters was investigated using the “one-factor-at-time” method, which showed that the optimal conditions were a voltage of 10 V, a reaction time of 1 h, a molar ratio of methanol to oil of 10:1, and a catalyst amount of 6 wt%. Under these conditions, the biodiesel production efficiency was 85% in the presence of sulfated mordenite and 80% in the presence of ZSM-5. These results indicate that the modification of natural mordenite catalyst by sulfation can be an effective solution for improving the efficiency and performance of biodiesel production processes.
کلیدواژهها English
بیودیزل میتواند پتانسیل جایگزینی سوختهای فسیلی را داشته باشد. در این مطالعه فرآیند استریفیکاسیون روغن سنتزی دانهی چریش با استفاده از روش الکتروشیمیایی در حضور کاتالیزورهای زئولیتی بررسی شد. زئولیتها به دلیل دارا بودن سایتهای اسیدی لوئیس و برونستد در درون و سطح ساختار خود، پتانسیل بالایی برای فعالیت در این نوع فرآیندها دارند.
. یافتههای این پژوهش نشان داد که کاتالیزور مردنیت اصلاحشده با اسید سولفوریک (مردنیت سولفاته شده 5/0 مولار) عملکردی بهمراتب بهتر از کاتالیزور زئولیت ZSM-5 در فرآیند استریفیکاسیون روغن دانه چریش دارد. تحلیل نتایج شناسایی کاتالیستها، بهویژه آزمون EDX-Mapping، دلیل این برتری را آشکار ساخت. نسبت سیلیسیوم به آلومینیوم (Si/Al) بهعنوان یک شاخص کلیدی در بهبود کارایی کاتالیزورهای زئولیتی شناخته میشود؛ افزایش این نسبت موجب افزایش آبگریزی سطح کاتالیست شده و احتمال برگشت واکنش یا وقوع واکنشهای جانبی را کاهش میدهد. نتایج نشان داد که نسبت Si/Al برای ZSM-5 برابر با 22/2 و برای مردنیت سولفاته شده 5/0 مولار برابر با 07/25 است. علاوه بر این، فرآیند سولفاتاسیون باعث اتصال گروههای عاملی سولفات به سطح کاتالیزور میشود. این گروهها بهدلیل خاصیت الکترونکشی قوی، اسیدهای لوئیس و برونستد را بهطور قابلتوجهی تقویت کرده و در نتیجه مکانیزم واکنش را بهبود میبخشند.
بررسی اثر پارامترهای عملیاتی با روش «یک عامل در زمان[1]» نشان داد که شرایط بهینه شامل ولتاژ 10 ولت، زمان واکنش 1 ساعت، نسبت مولی متانول به روغن 10:1، و مقدار کاتالیزور 6 درصد وزنی است. تحت این شرایط، بازده تولید بیودیزل در حضور مردنیت سولفاته شده 85% و در حضور ZSM-5 معادل 80% بهدست آمد. این نتایج نشان میدهد که اصلاح کاتالیزور طبیعی مردنیت به روش سولفاتاسیون میتواند راهکاری مؤثر برای ارتقاء بازده و عملکرد فرآیندهای تولید بیودیزل باشد