Ultrazvočna sonokemija je pomagala pri proizvodnji biodizla
Naftni dizel je trenutno glavna oblika goriva v prometni in logistični industriji, čeprav njegova uporaba porabi omejene vire surove nafte in škodi zdravju ljudi in okolja.
Biodizel je kot obnovljivo, biološko razgradljivo in nestrupeno biogorivo privlačno alternativno gorivo, ki je okolju prijazno in ga je mogoče uporabiti v obstoječih dizelskih motorjih. Omogoča enako moč in navor kot naftni dizel, hkrati pa ima tudi vrhunsko mazivo.
Na žalost zaradi nizke učinkovitosti njegovega proizvodnega procesa stroški biodizla ostajajo visoki, kar ovira široko izvajanje.
Proizvodnja biodizla se doseže z razmeroma počasnim in energijskim kemičnim procesom, in sicer trigliceridnim izmenjavo - rastlinsko olje ali živalsko maščobo.
Ta postopek se običajno izvede v šaržnem reaktorju, kjer se surovi trigliceridi mešajo z alkoholom (metanol ali etanol) v prisotnosti katalizatorja (baze, kisline ali encima), segrejejo na približno 65 stopinj in mehansko mešamo za { {1}} ure. Nato lahko ti izdelki ločijo ločene za 5-10 ure (glicerol, ki vsebuje odvečni alkohol in katalizator, tvori spodnji sloj, biodizel tvori zgornjo plast), po katerem se zbirajo ločeno in podvržejo post-zdravljenju, običajno proizvajajo Približno 85-87% Biodiesel.
V več vidikih tega procesa je veliko prostora za izboljšanje:
1. Nizka hitrost reakcije.
Reakcija Ester Exchange je reakcija, ki omejuje prenos mase - pojavlja se na vmesniku med surovim oljem in alkoholom, ki je le delno mešljiv. Mehansko mešanje lahko do neke mere izboljša stik med reagenti, vendar je reakcija še vedno zelo počasna, ker mešanja ne moreta popolnoma emulgirati obeh tekočin (tvori stabilno koloidno mešanico), da poveča medfazno površino med njimi.
2. Dolgoročna ločitev.
Prekomerni alkohol in katalizator se običajno uporabljata za pogon reakcije ester za uravnoteženo sintezo biodizla. Vendar pa v naslednjih korakih prekomerni alkohol ponavadi raztopi glicerol v biodizlu, kar upočasni njihovo ločitev.
3. po zdravljenju zapletov.
Biodizel je treba oprati z vodo, da odstranite morebitne preostale katalizatorje in stranske proizvode mila. Preostali alkohol je treba očistiti in reciklirati. Zato lahko prekomerna uporaba alkohola in katalizatorjev zaplete postopek po zdravljenju.
Ultrazvočna podprta proizvodnja biodizla
Reakcije izmenjave ester z ultrazvočno podprto so zelo koristne za vsak korak procesa:
1. visoka hitrost reakcije.
Ultrazvok z visoko intenzivnostjo ustvarja akustično kavitacijo, kar ima za posledico močno in asimetrično implozijo vakuumskih mehurčkov, kar povzroča udarne valove, mikrojeze, močne strižne sile ter ekstremne lokalne temperature in pritiske. To vodi do zelo učinkovitega mešanja, kar ima za posledico nepomembne ali delno mešljive tekočine ultrafinih, kinetično stabilnih emulzij (nanoemulzij). Zato se površina vmesnika med tekočinami poveča za vrstni red, kar močno spodbuja reakcije, ki omejujejo prenos mase, kot je izmenjava estra.
Raziskave so pokazale, da se reakcijski čas lahko skrajša iz ur na minute, alkalna katalizira hitri ester izmenjava sojinega olja uporabi ultrazvok, energijo in gorivo.
2. Kratek čas ločevanja.
Zaradi boljšega stika med surovim oljem in alkoholom, ki ga povzroča ultrazvočna izpostavljenost, je potrebna precej nižja prekomerna količina alkohola. To zmanjša količino alkohola, ki ostane po reakciji. Topnost glicerola v biodizlu, ki jo posreduje etanol, se zmanjšuje, čas ločevanja pa se zmanjšuje od 5-10 ur do približno 30 minut.
3. Poenostavljeno naknadno obdelavo.
Uporaba manjšega presežka alkohola lahko zmanjša napor, potreben za nadaljnje recikliranje. Poleg tega se lahko zaradi večje učinkovitosti mešanja količina uporabljenega katalizatorja znatno zmanjša (50-60%), kar poenostavi pralne korake biodizla.
4. Dodatne ugodnosti.
a) Izpostavljenost ultrazvoku z visoko intenzivnostjo lahko zagotovi aktivacijsko energijo, potrebno za reakcijo. Zato segrevanje reakcijske mešanice postane manj pomembno, saj lahko prihrani energijo in trud.
b) Postopek se je preusmeril iz serije v neprekinjeno in močno povečal proizvodno lestvico.
c) Proizvodnja biodizla se lahko poveča na približno 95-99%.
Pomen visoke amplitude zvoka
Ultrazvočno izboljšanje proizvodnje biodizla v komercialni lestvici zahteva uporabo ultrazvočnih procesorjev industrijskega obsega, ki lahko vzdržujejo visoke vibracijske amplitude. Amplituda je neposredno povezana s trdnostjo strižne sile, ki nastane z ultrazvočno kavitacijo in jo je treba vzdrževati na dovolj visoki ravni za učinkovito mešanje.
Ugotovljeno je bilo, da so podobne vrednosti amplitude potrebne za proizvodnjo kakovostnih nanoemulzij - predpogoj za omejene reakcije izmenjave ester z omejenim masnim prenosom.
