Метода за припрему биодизела естерификацијом метанола помоћу ултразвука

Овај проналазак се односи на поступак за производњу биодизела путем естерификације метанола коришћењем ултразвука. Користећи различите животињске отпадне масти, отпадно јестиво уље из угоститељске индустрије и отпадно јестиво уље као сировине, метода убрзава естерификацију метанола кроз кавитацију, загревање и ефекте високофреквентних осцилација ултразвука за производњу биодизела. Предности методе укључују повећање активности реактаната подешавањем интензитета ултразвука, чиме се побољшава стопа конверзије метанола; коришћење разних отпадних животињских и биљних масти, отпадног јестивог уља из угоститељске индустрије и отпадног јестивог уља као сировина, што резултира ниским трошковима; и елиминисање употребе било ког катализатора, чиме се избегава загађење животне средине изазвано руковањем катализатором. Нису потребне модификације или прилагођавања постојеће опреме за производњу биодизела, а опрема високе температуре и високог притиска није потребна током процеса реакције, поједностављујући процес производње и смањујући трошкове производње.

Биодизел је нова врста горива произведена од животињских и биљних масти. Према хемијској анализи, биодизел гориво је метан са високим садржајем масти добијен разлагањем глицерида са незасићеном олеинском киселином Ц18 као примарном компонентом. У поређењу са конвенционалним дизелом, биодизел надмашује конвенционални дизел по тачки зачепљења хладног филтера, тачки паљења, ефикасности сагоревања, садржају сумпора, садржају кисеоника, потрошњи кисеоника при сагоревању и загађењу воде, док су остали показатељи упоредиви. Због својих неупоредивих еколошких перформанси, одличних перформанси при покретању мотора на ниским температурама, супериорне мазивости, сигурности, ефикасности горива и обновљиве природе, мотори са погоном на биодизел испуњавају не само тренутни Еуро ИИ стандард емисије већ и строжије Еуро ИИИ стандарде који ће ускоро бити примењени у Европи. Штавише, пошто биодизел емитује много мање угљен-диоксида него што га биљке и животиње апсорбују током свог раста, он доприноси глобалном загревању, великом еколошком проблему који је штетан за човечанство. Дакле, биодизел је заиста зелени дизел. Комерцијалне базе за производњу биодизела успостављене су у неколико земаља и региона у Сједињеним Државама, Европи и Азији, а биодизел се широко користи као алтернативно гориво.

Уобичајене методе производње биодизела укључују следеће:

1. Пиролиза: Ова метода користи високе температуре да разбије дуголанчане молекуле животињских и биљних уља у краће молекуле, претварајући органску материју високе молекуларне тежине у релативно једноставне угљоводонике. Производи пуцања су слични конвенционалном дизелу. Међутим, процес пиролизе је сложен и захтева гломазну опрему, што резултира високим трошковима производње и ограниченом комерцијализацијом.

2. Трансестерификација: Ово је тренутно најчешће коришћена метода. Под киселим (или алкалним) катализаторима и високим температурама (230-250°Ц), алкохоли као што су метанол или етанол пролазе кроз реакцију трансестерификације са триглицеридима, главним компонентама природних биљних уља или животињских масти. Метокси групе замењују глицерил групе на дуголанчаним масним киселинама, смањујући вискозитет уља и побољшавајући његову течност и својства испаравања, испуњавајући захтеве за коришћење горива. Међутим, постоје следећи недостаци: 

① Кисели (или базни) катализатор је тешко повратити; 

② Садржај слободних масних киселина и воде значајно утиче на киселу (или базну) каталитичку реакцију; 

③ Процес је сложен, захтева вишак алкохола, захтева опрему за рекуперацију алкохола у наредним процесима и резултира великом потрошњом енергије; 

④ Боја је тамна јер су незасићене масне киселине у мастима подложне пропадању на високим температурама; 

⑤ Производ естерификације је тешко повратити, што резултира високим трошковима; и ⑥ Производни процес укључује испуштање отпадне алкалне течности.

3. Суперкритична естерификација метанола без катализатора: Ова метода производи биодизел кроз процес естерификације метанола без катализатора на суперкритичној температури од 350-400°Ц и притиску од 45-65 МПа. Иако овај метод поједностављује потешкоће у одвајању производа традиционалне реакције трансестерификације и решава дуго време реакције повезано са конвенционалном естерификацијом метанола без катализатора, она је сложена, захтева гломазну опрему и резултира високим трошковима производње.

Овај проналазак има за циљ да превазиђе недостатке горе наведених метода производње биодизела из претходног стања технике, чиме се обезбеђује једноставан, јефтин метод за производњу биодизела путем естерификације метанола помоћу ултразвука, чиме се елиминише употреба катализатора и органских растварача и постиже висока стопа конверзије метанола. 

Овај проналазак обезбеђује поступак за производњу биодизела естерификацијом метанола коришћењем ултразвука. Метода користи разне животињске отпадне масти, отпадна јестива уља из угоститељске индустрије и отпадно јестиво уље као сировине. Ултразвучна кавитација, загревање и високофреквентне осцилације убрзавају естерификацију метанола за производњу биодизела. Метода се састоји од следећих корака:

1) Метанол и сирово уље се мешају у моларном односу од 20 до 50:1, а реакција размене естара се изводи на 40°Ц до 64°Ц, брзини мешања од 1500 до 2000 обртаја у минути, ултразвучној снази од 2 кВ до 10 кВ, и ултразвучној фреквенцији не више од 60 кВ.

Сирова уља укључују разне животињске отпадне масти, отпадна уља за јело из угоститељске индустрије и отпадно јестиво уље.

2) Помешани раствор након реакције се остави да одстоји најмање 8 сати, дозвољавајући да се мешани раствор одвоји у слојеве и одвоји глицерин у доњем слоју.

3) Горњи слој мешаног раствора се дестилује на 70 до 100°Ц док се сав метанол не поврати. Преостали дестилат је биодизел. Метода за производњу биодизела естерификацијом метанола коришћењем ултразвука, која је овде дата, користи ефекте кавитације, загревања и високофреквентне осцилације ултразвука током процеса производње биодизела. Микроскопска гасна језгра (кавитациона језгра) присутна у мешавини метанола и сировог уља пролазе кроз динамички процес високофреквентних вибрација, раста, колапса и затварања под утицајем ултразвучног звучног поља. Када се кавитациони мехурићи колабирају, они стварају локализовану високу температуру и висок притисак у изузетно малом простору који их окружује у веома кратком временском периоду. Висока температура повећава активност реактаната, подстичући стварање слободних радикала и појаву реакција пуцања; високи притисак генерише ударне таласе и микромлазеве, што доводи до интензивних судара између молекула, чиме се убрзава комплетна хемијска реакција естерификације метанола за производњу биодизела. 

У поређењу са постојећим технологијама, предности методе предвиђене овим проналаском су:

1) Подешавањем ултразвучног интензитета који генерише ултразвучни осцилатор, повећава се активност реактаната, промовишући стварање слободних радикала и појаву реакција пуцања у реактантима. Ово такође ствара јаке колизије између молекула реактаната, убрзавајући естерификацију метанола и побољшавајући стопу конверзије метанола.

2) Предметни проналазак може да користи различита отпадна животињска и биљна уља, отпадно јестиво уље из угоститељске индустрије и отпадно уље као што је уље за олуке као сировину, што резултира ниским трошковима.

3) Овај проналазак не користи никакве катализаторе, чиме се избегава загађење животне средине изазвано руковањем катализатором.

4) Ова метода не захтева модификацију или прилагођавање постојеће опреме за производњу биодизела, и не захтева опрему високе температуре и високог притиска током процеса реакције, поједностављујући процес производње и смањујући трошкове производње.