Дата публикации: 26.04.2021
Бектемісұлы Рақым
3-курс магистранты,
Қ.Жұбанов атындағы Ақтөбе өңірлік университеті,
Қазақстан Республикасы,Ақтөбе қаласы
АННОТАЦИЯ.
Сілтілі жер металл оксидтері биодизель отынын өндіруге қолайлы катализаторлар болып табылады, олардың ішінде CaO және MgO ең жақсы тиімділігімен танымал. Бұл зерттеуде биодизель отынын өндіру үшін үнемді және тұрақты ресурстардан синтезделген катализаторлар қолданылды. Нақтырақ айтсақ, кальций мен магний карбонатының көзі ретінде мидия қабықтары мен минерализацияланған су тазарту шөгінділері 900 ° C-тан жоғары температурада кальций мен магний оксидтеріне айналды. Метанол мен пайдаланылған аспаздық май 24:1 және 22,5:1 қатынасында 12 және 9,08 мас. мидия қабықтары мен минерализацияланған су тазарту тұнбалары негізінде катализаторлар қатысуымен 250 мл екі бұрышты колбада реакция жасады. Араластырғыштың жылдамдығы 350 айн / мин болған кезде температураның (328, 333, 338, 343 және 348 К) және уақыттың (1, 3, 5, 7 және 8 сағ) майдың биодизельге айналуына әсері зерттелді. Алынған нәтижелер екі катализаторды қолдана отырып, переэтерификация реакциясының бірінші ретті жалған кинетикасын көрсетеді.
Қазіргі таңда жанармай мен энергияға сұраныстың артуына және қазбалы отын ресурстарының шектеулі болуына байланысты жаңартылатын альтернативті отын түрлеріне көп көңіл бөлінуде. Май қышқылдарының метил эфирі деп те аталатын биодизель отыны – альтертернативті жанармайлардың арасындағы тарихы терең, қолжетімді түрлерінің бірі. Қазбалы дизель отынымен салыстырғанда биодизель құрамында оттегі бар және жоғары жану температурасы мен майлау қабілетіне, цетан санына ие, сонымен қатар құрамында күкірттің төмен болуына байланысты жану кезінде қауіпті шығарындылардың шығуын төмендетеді. Биодизель отынын өсімдік майларынан, жануар майларынан және пайдаланылған өсімдік майының қалдықтарынан алуға болады. Переэтерификация реакциясы триглицеридтер мен метанол арасында жүреді, нәтижесінде жанама өнім ретінде әк пен глицерин пайда болады. Переэтерификация реакциясының типтік схемасы келесі теңдеуде берілген (1-теңдеу).
Біртекті катализаторлармен салыстырғанда негізгі және қышқыл гетерогенді катализаторлар жеңіл және арзан бөліну мен регенерацияның артықшылықтарына ие. Жалпы алғанда, негізгі гетерогенді катализаторлар қышқылды катализаторларға қарағанда олардың жоғары белсенділігіне негізделген. Негізгі гетерогенді катализаторлардың ішінде кальций оксидіне (СаО) оның жоғары каталитикалық белсенділігіне, қалпына келуіне/қайта қолданылуына және оны өндіру үшін салыстырмалы түрде арзан ресурстардың көп болуына (қабық қалдықтары, жұмыртқа қабығы және т.б.) байланысты көп көңіл бөлінеді. Сонымен қатар, CaO аз мөлшерде FFA мен ылғалға сезімтал емес, сондықтан май қалдықтарына келеді. Қолданылатын катализатордың түріне қарамастан, реактордың конфигурациясы, реакция уақыты және оңтайлы процесс температурасы сияқты егжей-тегжейлі ақпарат алу үшін реакция кинетикасын құру қажет. Велкович және басқалар (2009) катализатор ретінде СаО қатысында метанолмен күнбағыс майының переэтерификациясының кинетикасын зерттеді. Олар процестің бірінші кезеңінде триглицеридтің массалық ауысуы реакцияны басқарғанын, ал соңғы сатысында химиялық реакция жылдамдықты анықтайтын факторға айналғанын анықтады. Тағы бір зерттеуде Доссин (2006) гетерогенді катализатор ретінде магний оксиді (MgO) катализделген этилацетат метанолизінің кинетикасын зерттеді. Олар сұйық фазада үш сатылы "Элей-Ридель" механизмін қолданып, метанолдың адсорбциясы осы реакцияның жылдамдығын анықтайтын кезең екенін анықтады. Бирла және басқалар (2012) гетерогенді базалық катализатор ретінде ұлулар қабығының қатысуымен пайдаланылған өсімдік майын переэтерификациялаудың бірінші ретті кинетикасы туралы хабарлады. Олар 79кДж.моль-1 активтендіру энергиясын және жиілік коэффициентін 2,98×1010 мин-1 анықтады. Пукале(2015) гетерогенді қатты катализаторды қолдана отырып, пайдаланылған өсімдік майын переэтерификациялау кинетикасына ультрадыбыстың әсерін зерттеді. Олар К3РО4 катализаторының қатысуымен 64,241 кДж.моль-1 активтендіру энергиясын анықтады. Сонымен қатар, олар ұқсас жағдайларда әдеттегі тәсілмен салыстырғанда ультрадыбыстық қатысында жоғары өнімділікке ие болды. Шикізат құны, әдетте, биодизель өндірісінің жалпы құнының 70-80% құрайды. Сондықтан биодизельді жоғары тиімді катализаторларды қолдана отырып, жеуге болмайтын және пайдаланылған мұнай ресурстарынан алу технологиясын жасау қажет. Осы негізде осы зерттеудің мақсаты арзан ресурстардан алынған СаО және MgO катализаторларын қолдана отырып, пайдаланылған өсімдік майларынан биодизель өндірісінің шикізат құнын төмендету болды. [1]
2. Материалдар мен әдістер
2.1. Материалдар жергілікті мейрамханадан алынған өсімдік майының қалдықтары және метанол 99,5% осы зерттеуде этерификация және переэтерификация реакциялары үшін пайдаланылды. 97% күкірт қышқылы этерификация реакциясының катализаторы ретінде пайдаланылды. Қышқыл санын анықтау үшін 85% калий гидроксиді қолданылды. Переэтерификация реакциясында қолданылатын катализаторларды алу көзі ретінде пайдаланылған мидия қабығы мен минералсыздандырылған суы пайдаланылды. [3]
2.2. Катализаторларды дайындау
Мидия қабықтары мен минералсыздандырылған су тазарту шөгінділері ерітіндіде ұсақталды. Алынған ұнтақтар микробөлшектерді бөліп алғанға дейін екшеліп(125-250 мкм), содан кейін 110℃ температурада 18 сағат кептірілді. [3]
2.3. Этерификация реакциясы
Этерификация реакциясы пайдаланылған майдың қышқыл саны 2 мг КОН/г маймен өлшенгендіктен, 1 мг КОН/г-дан төмен қышқыл санына жету үшін этерификация кезеңі жүргізілді. Этерификация реакциясы 5 мас.% H2SO4 катализаторы қатысында метанолдың майға молярлық қатынасы 18:1 кезінде 65℃-та 5 сағат бойы жүргізілді.Этерификациядан кейін пайдаланылған өсімдік майының қышқыл саны 0,49 мг КОН/г майға дейін төмендеді. 2.4. Переэтерификация реакциясы термометр мен конденсатормен жабдықталған екі мойыны бар 250 мл колбада жүргізілді.Пайдаланылған май және метанолды катализаторды 350 айн/мин араластырғышта араластырылды.Реакциядан кейін катализатор алдымен центрифугалау арқылы бөлінді, содан кейін глицерин мен алынған биодизель отыны бөлгіш ваннаның көмегімен бөлінді. Алынған биодизельдің тазалығын арттыру үшін өнім бірнеше рет сумен жуылады (90 с). Соңында, алынған биодизель отыны пеште 110°C температурада 2 сағат ішінде кептірілді. [1]
2.4. Процесс кинетикасы
Реакция кинетикасын анықтау үшін температура мен уақыттың әсері зерттелді. Пайдаланылған катализаторлар майды танымалдылыққа жеткізу үшін жеткілікті болғандықтан, кері реакцияларды елемеуге болады. Сонымен қатар, реакция кезінде катализаторлардың концентрациясының өзгеруі де назардан тыс қалуы мүмкін. Переэтерификация реакциясы бір сатыда жүреді деп есептесек, переэтерификация реакциясының жылдамдығын келесі теңдеу арқылы есептеуге болады:
rTG = - d[TG] / dt = d[ME] / dt = k՛[TG] [ROH]3 (1)
Мұндағы: TGr - триглицеридтер қолданылатын жылдамдық,
[TG] – триглицеридтердің концентрациясы,
[ME] - метил эфирінің концентрациясы,
[ROH] – метанолдың концентрациясы,
k ' - реакция тұрақтысы.
Метанолдың майға молярлық қатынасының жоғары болуына байланысты реакция кезінде метанол концентрациясының өзгеруін елемеуге болады және реакцияны жалған бірінші ретті реакция ретінде қарастыруға болады.
2.5. Реакция кинетикасын анықтау
Осы жұмыста мидия қабығының пайдаланылған катализаторының қатысуымен (12 мас.) және минералсыздандырылған су тұнбасының катализаторы (9,08 мас.328, 333, 338, 343 және 348 к температураларда 350 айн/мин араластыру жылдамдығы кезіндегі (метанолдың майға молярлық қатынасы тиісінше 24:1 және 22,5:1) кинетикасы зерттелді. Әр түрлі температурада уақытқа байланысты метил эфирінің конверсиясының өзгеруінің экспоненциалды тенденциясы переэтерификация реакциясының псевдо - бірінші ретті кинетикасын көрсетті.Мидия мен минералсыздандырылған су қабықтарын өңдеуге арналған бұл нәтижелер катализаторларды 328, 333, 338, 343 және 348 К температурада тұндырады. Тиісінше 2а және б суреттер.
2(а)-сурет.Кинетика көрсеткіштері
Сондай-ақ, әр температура үшін K және R 2 мәндері 3-кестеде келтірілген.3- кестеде көрсетілгендей температураның жоғарылауымен кинетикалық жылдамдық тұрақтысы жоғарылады. Сондай-ақ, жоғары температура мәндерінде жылдамдық константалары арасындағы айырмашылық төмен болды(1-кесте). [1]
1-кесте
Жоғары температура мәндерінде жылдамдық константалары арасындағы айырмашылық
|
Мидия қабықтарының катализаторы |
||
|
N(K) |
K c-1 |
R2 |
|
328 333 338 343 348 |
0.0476 0.0819 0.1690 0.2193 0.2359 |
0.94 0.97 0.97 0.98 0.98 |
|
Минералсыздандырылған су тазарту қондырғысының катализаторы |
||
|
N(K) |
K c-1 |
R2 |
|
328 333 338 343 348 |
0.0478 0.0932 0.1574 0.2240 0.2326 |
0.98 0.98 0.96 0.98 0.98 |
Әдетте, негізгі катализаторларды қолдана отырып, мұнайды қайта этерификациялауға арналған активтендіру энергиясы 33,6–84 кДж.моль-1 аралығында болады.Минералсыздандырылған су тазарту қондырғысының катализаторы болған кезде переэтерификацияның төменгі активтендіру энергиясын MgO молекулаларының болуымен түсіндіруге болады. Бұл тезірек реакцияға әкелді, сондықтан бұл катализаторы переэтерификация реакциясы үшін тиімді болады деп қорытынды жасауға болады. [4]
3. Қорытынды
Альтернативті жанармай алу барысында үнемді және экологиялық таза материалдарды пайдалану бүкіл әлемде биодизель өндірісін және оны пайдалануды кеңейтуде маңызды рөл атқарады. Бұл зерттеуде минералсыздандырылған су тазарту қондырғысының катализаторы тұтынылған өсімдік майы мен метанолдан биодизель отынын алу үшін негізгі гетерогенді катализаторлар ретінде пайдаланылды және қолданылған мидия қабықтарын кальцийлеу арқылы алынған катализатормен салыстырылды. Метил эфирінің конверсиясының өзгеруі барлық зерттелген температура мәндерінде экспоненциалды болғандықтан, екі катализаторды қолдана отырып, переэтерификация реакциясының жалған бірінші ретті кинетикасы қарастырылды. Сонымен қатар,минералсыздандырылған су тазарту қондырғысының катализаторы бес рет қайта қолданудың арқасында жоғары тиімділікке ие болды және СаО-ның аз ғана бөлігі (6,15%) метанолмен алынды, ал мидия қабығының кальцийленген қалдықтарының катализаторы үшін кеткен шығындар 60,17% құрады. Осылайша, Метанолдан туындаған минералды су тазарту шөгінділерінен алынған катализаторларды тұтынылған өсімдік майынан биодизель отынын өндіруге арналған үнемді және тұрақты гетерогенді катализатор ретінде сипаттай аламыз.
Пайдаланылған әдебиеттер:
-
Г.Р.Моради, М.Мохадеси, М.Ганбари, М.Дж.Моради, Ш.Хоссейни, Ю.Давудбейги, Пайдаланылған өсімдік майын қайта этерификациялау үшін тұрақты ресурстардан алынған екі негізгі гетерогенді катализаторды кинетикалық салыстыру. « Biofuel Research» журналы 6 (2015) 236-241
-
Боей.П.Л, Маньям.Г.П., Хамид.С.А., 2011. Биодизель өндірісінде гетерогенді катализатор ретінде кальций оксидінің тиімділігі: шолу. Хим. ағыл. 168, 15-22.
-
Давудбеги. Ю., 2013. Табиғи катализаторларды қолдана отырып, биодизель отынын өндірудегі переэтерификация реакциясының кинетикасы. диссертация, Рази университеті.
-
Ди Серио.М.Р., Пенгмей.Л., Сантакесария.Е., 2008. Биодизель отынын өндіруге арналған гетерогенді катализаторлар. Энерг. Отын. 22, 207-217.