Metodo per la preparazione del biodiesel mediante esterificazione del metanolo mediante ultrasuoni

La presente invenzione riguarda un metodo per la produzione di biodiesel mediante esterificazione del metanolo mediante ultrasuoni. Utilizzando vari grassi di scarto animale, olio da cucina di scarto dell'industria della ristorazione e olio da cucina di scarto come materie prime, il metodo accelera l'esterificazione del metanolo attraverso la cavitazione, il riscaldamento e gli effetti di oscillazione ad alta frequenza degli ultrasuoni per produrre biodiesel. I vantaggi del metodo includono l'aumento dell'attività dei reagenti regolando l'intensità degli ultrasuoni, migliorando così il tasso di conversione del metanolo; utilizzo di vari grassi animali e vegetali di scarto, olio da cucina esausto dell'industria della ristorazione e olio da cucina esausto come materie prime, con conseguenti costi ridotti; ed eliminando l'uso di qualsiasi catalizzatore, evitando così l'inquinamento ambientale causato dalla manipolazione del catalizzatore. Non è necessaria alcuna modifica o aggiustamento alle apparecchiature di produzione di biodiesel esistenti e durante il processo di reazione non sono necessarie apparecchiature ad alta temperatura e alta pressione, semplificando il processo di produzione e riducendo i costi di produzione.

Il biodiesel è un nuovo tipo di carburante prodotto da grassi animali e vegetali. Secondo l'analisi chimica, il carburante biodiesel è un metano ad alto contenuto di grassi ottenuto dalla decomposizione dei gliceridi con acido oleico insaturo C18 come componente primario. Rispetto al diesel convenzionale, il biodiesel supera il diesel convenzionale in termini di punto di intasamento del filtro a freddo, punto di infiammabilità, efficienza di combustione, contenuto di zolfo, contenuto di ossigeno, consumo di ossigeno di combustione e inquinamento dell’acqua, mentre altri indicatori sono comparabili. Grazie alle sue impareggiabili prestazioni ambientali, alle eccellenti prestazioni di avviamento del motore a bassa temperatura, alla lubrificazione superiore, alla sicurezza, all’efficienza del carburante e alla natura rinnovabile, i motori alimentati a biodiesel soddisfano non solo l’attuale standard sulle emissioni Euro II ma anche i più severi standard Euro III che saranno presto implementati in Europa. Inoltre, poiché il biodiesel emette molta meno anidride carbonica di quella che le piante e gli animali assorbono durante la loro crescita, contribuisce al riscaldamento globale, un grave problema ambientale dannoso per l’umanità. Pertanto, il biodiesel è un vero diesel verde. Basi di produzione commerciale di biodiesel sono state stabilite in diversi paesi e regioni negli Stati Uniti, in Europa e in Asia, e il biodiesel è ampiamente utilizzato come carburante alternativo.

I metodi comuni di produzione del biodiesel includono quanto segue:

1. Pirolisi: questo metodo utilizza alte temperature per scomporre le molecole a catena lunga degli oli animali e vegetali in molecole più corte, convertendo la materia organica ad alto peso molecolare in idrocarburi relativamente semplici. I prodotti di cracking sono simili al diesel convenzionale. Tuttavia, il processo di pirolisi è complesso e richiede attrezzature ingombranti, con conseguenti costi di produzione elevati e commercializzazione limitata.

2. Transesterificazione: questo è attualmente il metodo più comunemente utilizzato. Sotto catalizzatori acidi (o alcalini) e ad alte temperature (230-250°C), gli alcoli come il metanolo o l'etanolo subiscono una reazione di transesterificazione con i trigliceridi, i principali componenti degli oli vegetali naturali o dei grassi animali. I gruppi metossi sostituiscono i gruppi glicerile sugli acidi grassi a catena lunga, riducendo la viscosità dell'olio e migliorandone la fluidità e le proprietà di vaporizzazione, soddisfacendo i requisiti per l'uso del carburante. Tuttavia, esistono i seguenti inconvenienti: 

① Il catalizzatore acido (o basico) è difficile da recuperare; 

② Il contenuto di acidi grassi liberi e acqua influenza in modo significativo la reazione catalitica acida (o basica); 

③ Il processo è complesso, richiede un eccesso di alcol, necessita di attrezzature per il recupero dell'alcol nei processi successivi e comporta un elevato consumo di energia; 

④ Il colore è scuro perché gli acidi grassi insaturi presenti nei grassi sono suscettibili al deterioramento alle alte temperature; 

⑤ Il prodotto dell'esterificazione è difficile da recuperare, con conseguenti costi elevati; e ⑥ Il processo di produzione prevede lo scarico di liquidi alcalini di scarto.

3. Esterificazione supercritica del metanolo senza catalizzatore: questo metodo produce biodiesel attraverso un processo di esterificazione del metanolo senza catalizzatore a una temperatura supercritica di 350-400°C e una pressione di 45-65 MPa. Sebbene questo metodo semplifichi la difficoltà di separare i prodotti della tradizionale reazione di transesterificazione e risolva i lunghi tempi di reazione associati all'esterificazione del metanolo convenzionale senza catalizzatore, è complesso, richiede apparecchiature ingombranti e comporta costi di produzione elevati.

La presente invenzione mira a superare le carenze dei metodi di produzione di biodiesel della tecnica precedente sopra menzionati, fornendo così un metodo semplice ed economico per produrre biodiesel attraverso l'esterificazione del metanolo mediante ultrasuoni, che elimina l'uso di catalizzatori e solventi organici e raggiunge un elevato tasso di conversione del metanolo. 

La presente invenzione fornisce un metodo per produrre biodiesel mediante esterificazione del metanolo mediante ultrasuoni. Il metodo utilizza come materie prime vari grassi di scarto animale, oli da cucina usati dell'industria della ristorazione e oli da cucina usati. La cavitazione ultrasonica, il riscaldamento e l'oscillazione ad alta frequenza accelerano l'esterificazione del metanolo per produrre biodiesel. Il metodo comprende i seguenti passaggi:

1) Metanolo e olio grezzo vengono miscelati in un rapporto molare compreso tra 20 e 50:1 e una reazione di scambio dell'estere viene condotta a una temperatura compresa tra 40 °C e 64 °C, una velocità di agitazione compresa tra 1500 e 2000 giri/min, una potenza ultrasonica tra 2 kW e 10 kW e una frequenza ultrasonica tra 20 e 60 kHz per non più di 2 ore.

Gli oli grezzi comprendono vari grassi di scarto animale, oli da cucina usati dell'industria della ristorazione e oli da cucina usati.

2) La soluzione mista dopo la reazione viene lasciata riposare per almeno 8 ore, consentendo alla soluzione mista di separarsi in strati e separando la glicerina nello strato inferiore.

3) Lo strato superiore della soluzione miscelata viene distillato a 70-100°C fino al recupero di tutto il metanolo. Il distillato rimanente è il biodiesel. Il metodo per produrre biodiesel mediante esterificazione del metanolo mediante ultrasuoni, qui fornito, utilizza gli effetti di cavitazione, riscaldamento e oscillazione ad alta frequenza degli ultrasuoni durante il processo di produzione del biodiesel. I nuclei di gas microscopici (nuclei di cavitazione) presenti nella miscela di metanolo e olio di materia prima subiscono un processo dinamico di vibrazione ad alta frequenza, crescita, collasso e chiusura sotto l'influenza del campo sonoro ultrasonico. Quando le bolle di cavitazione collassano, generano in un periodo di tempo molto breve un’alta temperatura e un’alta pressione localizzate nello spazio estremamente piccolo che le circonda. L'elevata temperatura aumenta l'attività dei reagenti, favorendo la formazione di radicali liberi e l'insorgenza di reazioni di cracking; l'alta pressione genera onde d'urto e microgetti, provocando intense collisioni tra le molecole, accelerando così la reazione chimica completa di esterificazione del metanolo per produrre biodiesel. 

Rispetto alle tecnologie esistenti, i vantaggi del metodo previsto dalla presente invenzione sono:

1) Regolando l'intensità ultrasonica generata dall'oscillatore ultrasonico, l'attività dei reagenti viene aumentata, favorendo la formazione di radicali liberi e il verificarsi di reazioni di cracking nei reagenti. Ciò crea anche forti collisioni tra le molecole dei reagenti, accelerando l'esterificazione del metanolo e migliorando il tasso di conversione del metanolo.

2) La presente invenzione può utilizzare vari oli di scarto animali e vegetali, olio di scarto da cucina del settore della ristorazione e olio di scarto come olio di grondaia come materia prima, con un conseguente basso costo.

3) La presente invenzione non utilizza alcun catalizzatore, evitando così l'inquinamento ambientale causato dalla manipolazione del catalizzatore.

4) Questo metodo non richiede modifiche o adattamenti alle apparecchiature di produzione di biodiesel esistenti e non richiede apparecchiature ad alta temperatura e alta pressione durante il processo di reazione, semplificando il processo di produzione e riducendo i costi di produzione.