Η υπερηχητική Sonochemistry βοήθησε την παραγωγή βιοντίζελ

Το πετρέλαιο πετρέλαιο είναι σήμερα η κύρια μορφή καυσίμων στον κλάδο των μεταφορών και της εφοδιαστικής, αν και η χρήση του καταναλώνει περιορισμένους αργούς πετρελαϊκούς πόρους και βλάπτει την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον.

Το βιοντίζελ, ως ανανεώσιμο, βιοαποικοδομήσιμο και μη τοξικό βιοκαύσιμο, είναι ένα ελκυστικό εναλλακτικό καύσιμο που είναι φιλικό προς το περιβάλλον και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υπάρχοντες κινητήρες ντίζελ. Παρέχει την ίδια ισχύ και ροπή με το πετρέλαιο πετρέλαιο, ενώ έχει επίσης ανώτερη λιπαντικότητα.

Δυστυχώς, λόγω της χαμηλής απόδοσης της διαδικασίας παραγωγής της, το κόστος του βιοντίζελ παραμένει υψηλό, παρεμποδίζοντας την ευρεία εφαρμογή του.

Η παραγωγή βιοντίζελ επιτυγχάνεται μέσω μιας σχετικά αργής και ενέργειας που καταναλώνει χημική διαδικασία, δηλαδή την ανταλλαγή τριγλυκεριδίων - φυτικό έλαιο ή ζωικό λίπος.

Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται συνήθως σε έναν αντιδραστήρα παρτίδας, όπου τα ακατέργαστα τριγλυκερίδια αναμειγνύονται με αλκοόλη (μεθανόλη ή αιθανόλη) παρουσία καταλύτη (βάση, οξύ ή ένζυμο), θερμαίνονται σε περίπου 65 μοίρες και μηχανικά αναδεύονται για { {1}} ώρες. Στη συνέχεια, αυτά τα προϊόντα επιτρέπεται να διαχωρίσουν τη φάση για 5-10 ώρες (η γλυκερόλη που περιέχει υπερβολική αλκοόλη και καταλύτη σχηματίζει το κάτω στρώμα, το βιοντίζελ σχηματίζει το ανώτερο στρώμα), μετά το οποίο συλλέγονται ξεχωριστά και υποβάλλονται σε μετα-θεραπεία, συνήθως παραγωγή Περίπου 85-87% βιοντίζελ.

 

Υπάρχει πολύ περιθώριο βελτίωσης σε διάφορες πτυχές αυτής της διαδικασίας:

 

1. Χαμηλός ρυθμός αντίδρασης.

 

Η αντίδραση ανταλλαγής εστέρα είναι μια αντίδραση που περιορίζει τη μεταφορά μάζας - εμφανίζεται στη διεπαφή μεταξύ του ακατέργαστου πετρελαίου και του αλκοόλ, τα οποία είναι μόνο μερικώς αναμίξιμα. Η μηχανική ανάδευση μπορεί να συμβάλει στη βελτίωση της επαφής μεταξύ των αντιδραστηρίων σε κάποιο βαθμό, αλλά η αντίδραση εξακολουθεί να είναι πολύ αργή επειδή η ανάδευση δεν μπορεί να γαλακτώσει πλήρως τα δύο υγρά (σχηματίζοντας ένα σταθερό κολλοειδές μίγμα) για να αυξήσει τη διεπιφανειακή επιφάνεια μεταξύ τους.

 

2. Μακροπρόθεσμος διαχωρισμός.

 

Η υπερβολική αλκοόλη και ο καταλύτης χρησιμοποιούνται συνήθως για την οδήγηση της αντίδρασης ανταλλαγής εστέρα για την ισορροπημένη σύνθεση του βιοντίζελ. Ωστόσο, στα παρακάτω βήματα, το υπερβολικό αλκοόλ τείνει να διαλύει τη γλυκερόλη στο βιοντίζελ, η οποία επιβραδύνει το διαχωρισμό τους.

 

3.

 

Το βιοντίζελ πρέπει να πλυθεί με νερό για να απομακρυνθεί τυχόν υπολειμματικά καταλύτες και υποπροϊόντα σαπουνιού. Το υπόλοιπο αλκοόλ πρέπει να καθαριστεί και να ανακυκλωθεί. Επομένως, η υπερβολική χρήση αλκοόλ και καταλύτες μπορούν να περιπλέξουν τη διαδικασία μετά τη θεραπεία.

 

Υποβοηθούμενη παραγωγή βιοντίζελ

 

Οι υπερηχητικές αντιδράσεις ανταλλαγής εστέρων είναι εξαιρετικά επωφελείς για κάθε βήμα της διαδικασίας:

 

1. Υψηλός ρυθμός αντίδρασης.

 

Ο υπερηχογράφος υψηλής έντασης παράγει ακουστική σπηλαίωση, με αποτέλεσμα την ισχυρή και ασύμμετρη έκρηξη φυσαλίδων κενού, προκαλώντας κύματα σοκ, μικροεπίκες, ισχυρές δυνάμεις διάτμησης και ακραίες τοπικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Αυτό οδηγεί σε εξαιρετικά αποτελεσματική ανάμειξη, με αποτέλεσμα μη αναμίξιμο ή μερικώς αναμίξιμο υγρά εξαιρετικά, κινητικά σταθερών γαλακτωμάτων (νανογαλακτώματα). Επομένως, η περιοχή διεπαφής μεταξύ υγρών αυξάνεται κατά μια τάξη μεγέθους, η οποία προάγει σημαντικά αντιδράσεις που περιορίζουν τη μεταφορά μάζας, όπως η ανταλλαγή εστέρων.

Οι έρευνες έχουν δείξει ότι ο χρόνος αντίδρασης μπορεί να μειωθεί από ώρες σε λεπτά και αλκαλικό καταλυόμενο ταχεία ανταλλαγή εστέρα του σόγιας χρησιμοποιεί υπερηχογράφημα, ενέργεια και καύσιμα.

 

2. Σύντομος χρόνος διαχωρισμού.

 

Λόγω της καλύτερης επαφής μεταξύ του ακατέργαστου πετρελαίου και του αλκοόλ που προκαλείται από την υπερηχητική έκθεση, απαιτείται πολύ χαμηλότερη περίσσεια αλκοόλ. Αυτό μειώνει την ποσότητα αλκοόλ που παραμένει μετά την αντίδραση. Η διαλυτότητα της γλυκερόλης σε βιοντίζελ που προκαλείται από αιθανόλη μειώνεται και ο χρόνος διαχωρισμού μειώνεται από 5-10 ώρες σε περίπου 30 λεπτά.

 

3. Απλοποιημένη μετα-επεξεργασία.

Η χρήση χαμηλότερης περίσσειας αλκοόλ μπορεί να μειώσει την προσπάθεια που απαιτείται για την επακόλουθη ανακύκλωση. Επιπλέον, λόγω της υψηλότερης απόδοσης ανάμιξης, η ποσότητα του χρησιμοποιούμενου καταλύτη μπορεί να μειωθεί σημαντικά (50-60%), απλοποιώντας τα στάδια πλύσης του βιοντίζελ.

 

4. Πρόσθετα οφέλη.

 

Α) Η έκθεση σε υπερηχογράφημα υψηλής έντασης μπορεί να παρέχει την ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για την αντίδραση. Επομένως, η θέρμανση του μίγματος της αντίδρασης γίνεται λιγότερο σημαντική, καθώς μπορεί να εξοικονομήσει ενέργεια και προσπάθεια.

β) Η διαδικασία έχει μετατοπιστεί από παρτίδα σε συνεχή, αυξάνοντας σημαντικά την κλίμακα παραγωγής.

γ) Η παραγωγή βιοντίζελ μπορεί να αυξηθεί σε περίπου 95-99%.

 

Η σημασία του υψηλού εύρους ήχου

 

Η υπερηχητική ενίσχυση της παραγωγής βιοντίζελ σε εμπορική κλίμακα απαιτεί τη χρήση υπερηχητικών επεξεργαστών ροής βιομηχανικής κλίμακας που μπορούν να διατηρήσουν υψηλά πλάτη κραδασμών. Το εύρος σχετίζεται άμεσα με τη δύναμη της δύναμης διάτμησης που παράγεται από υπερηχητική σπηλαίωση και πρέπει να διατηρείται σε επαρκώς υψηλό επίπεδο για αποτελεσματική ανάμιξη.

Παρόμοιες τιμές πλάτους έχουν βρεθεί ότι είναι απαραίτητες για την παραγωγή νανογαλακμάτων υψηλής ποιότητας - προϋπόθεση για περιορισμένες αντιδράσεις ανταλλαγής μεταφοράς μάζας μεταφοράς.