文摘

更好的识别产生nonedible原料和过程改进局部准备化学物质是前进的道路改善生物柴油的经济可行性。合成脂肪酸乙酯(FAEE)生物柴油巴豆macrostachyus hochst。delile交货(c . M。)籽油通过酯交换法研究包括石油提取和糟鸡蛋壳浪费作为非均相催化剂和乙醇,尚未对此进行调查。催化剂负载的影响从2%到6% (w / w)重量的油、乙醇油比从9:1 - 12:1 (v / v),反应温度从60到80 ,和反应时间变化从0.45到2小时了。收益率一直在调查,与石油的内容c . M。种子46.85%通过溶剂萃取的路线。中央合成设计使用设计专家(CCD)是用来调查不同工艺参数的影响生物柴油合成和发现收益最大化的最优条件。转换通过钙oxide-heterogeneous催化生物柴油酯交换路由在最佳条件下取得了91%的收益率。最优模型预测的结果发现91.036%的催化剂装入5.802 wt. %,反应温度为76.117 ,反应时间为1.969人力资源,石油和乙醇摩尔比11.55的愿望值1.000。红外光谱证实的组成和功能基团在最佳反应条件下合成生物柴油。物理化学性质的合成c . M。生物柴油的决心,结果相比,生物柴油标准技术规范规定的范围内。结果表明,c . M。可能是一个非常可行的生物柴油行业的原料,可以利用作为替代燃料来源。

1。介绍

可持续性设计在现在的环境下要求脱碳,分布式发电/生产,和非物质化,即。,可耗减的保护材料。生物柴油生产从本土nonedible原料持有承诺部分替代化石资源的更重要的份额,减少相关的温室气体排放。然而,为了提高生物柴油的经济可行性,方法和手段探索,比如使用本地可用的材料和酒精包括催化剂。的潜力巴豆megalocarpus(1),巴豆macrostachyus(c . M。)[2一直在探索合成生物柴油,属性更高的产量每公顷相比,麻疯树以及生物柴油的有吸引力的冷流性能由这些原料被高亮显示。而据报道,两个物种的种子的含油量是大致相同的,生态的执行以及可支持性策略旨在酬劳生物燃料而进一步发展转换周期激励的安排更加丰富和地质广泛的原料供应可以看到第一代第二代产品开始模糊在中长期(2,3]。c . M。是一个最好的原材料生产生物柴油nonedible,发生在热带非洲和原生树木在埃塞俄比亚的国家之一。

1.1。的巴豆macrostachyus hochst仓库delile描述

Monoicous或dioicous,落叶,中型树25 - 30米高;伯乐圆柱形,直径100厘米;树皮灰褐,内部树皮淡棕色到红棕色,味道辛辣的;皇冠的和开放的大,传播分支;年轻的分支密集星状毛。叶子的替代品,简单,成为橙色之前下降;乔木直接到15毫米长,不久下降;叶柄到12-20厘米长,2跟踪腺体顶部;锐边鼓掌弯曲几乎轮,17-25厘米×14到20厘米,基部心形的,峰会锥度,偶尔齿,边缘厚星状蓬松的双方,whitish-green下面(4,5]。巴豆macrostachyus hochst仓库delile英语被称为阔叶巴豆,被各种方言名称在埃塞俄比亚的不同位置,Bakkanniisa / Makkaniisa (Afaan oromoo), Bissana(阿姆哈拉语),Masincho (Sidama)和Ambuk (Tigrigna) [2,6]。地理分布如图1。


图1
巴豆macrostachyus hochst仓库delile物种地理分布[Orwa et al。20.]]。

Nonedible油等c . M。石油可以成为一个方便的替代原料生产生物柴油的大规模对食用油的需求以及食品和燃料的竞争。

由于其抗旱性和更快的增长,c . M。如图2作为植物及其种子,保持深思熟虑的有益的物种用于改变水流银行和受污染的荒地。此外,由于种子的含油量和可用性的合成生物柴油的原料,它可以是一个候选人替代燃料植物。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
c . M hochst。delile交货(一)植物,(b)种子(自己的图)。

几个可能的nonedible石油原料研究了合成生物柴油在这个背景下,比如castor和麻疯树种子。相比之下,以前的研究基础上c . M。籽油已经使用甲醇和均相催化剂(1,2]。尽管齐次base-catalyzed生物柴油创造过程是适度快速和高回报,它们还不是非常符合成本效益与柴油的由于费用未经提炼的物质利用动力响应(后不能恢复1,3]。然而,使用非均相催化剂(曹)提供了许多好处,例如,更高的反应,温和的反应条件下,可重用性,简单的可访问性,和最少的费用7- - - - - -11]。此外,先前的研究已经使用甲醇作为生物柴油生产酒精,这是昂贵,毒性相对于乙醇,现在广泛使用可再生能源产生糖基酿酒厂,与甲醇的情况。大规模种植、生产和相关脂质恢复受各种变量,特别是微藻的生物柴油被视为将原料创造生物燃料。生物柴油产量的经济可行性主要受原料成本。酸催化剂是具有成本效益的负担得起的原料来生产生物柴油。廉价和可用的催化剂降低生产成本和改善生产力(4,5]。取代石油衍生品与生物燃料的能量,如生物柴油从可持续创建天然材料有可能减少不可再生能源使用的一些麻烦的方面,包括惯例和ozone-harming毒物质外流,适度的资产减少和摇摇欲坠的不熟悉的供应商的依赖。对生物燃料的兴趣同样可能增加农场。话又说回来,各种生物燃料原料的事实需要土地,水,和不同的资产,先前的研究表明,生物柴油可能带来了一些不必要的影响(3]。生物柴油合成包括两个基本的子流程特别是采油(12,13)和清洗(8,14和酯交换15]。收益率通过酯交换生产的生物柴油是由几个交互影响因素(16]。响应不足或收益率显著下降,如果不优化参数。净化交互是湿洗技术,它利用水或水发酵提炼酯和干洗涤,也利用强大的吸附剂或粒子交换球清除未经提炼的生物柴油(9,10]。此外,RSM方法可以被用来推动生物柴油由可溶性酯交换相互作用参数。而创造一些调查显示改善生物柴油利用RSM过程,RSM的流线型的利用与诱惑能力协调方法是无效地知道(11]。

生物柴油不能目前被视为一个严重的竞争者柴油由于自己在世界各地创造巨大的区别,高容量。它不是足够的生物柴油来满足整个需求和生活必需品;应该同样的战斗与化石柴油在创建大规模的经济(12]。根据以前的研究(17- - - - - -19酯交换后,生物柴油产量的主要影响因素是反应温度、醇油摩尔比、反应时间、搅拌强度、加载和数量的催化剂。因此,在目前的研究中,生产生物柴油的反应c . M。籽油与乙醇的视线内异构催化剂,研究了曹,优化分析了生物柴油转化乙醇等过程变量的理想混合油比例,催化剂装载量,反应时间,反应温度。的属性c . M。生物柴油也同样进行了测试,对比,和建议以及ASTM和EN标准。可重用性考虑导致蛋壳吃剩的鸡作为非均相催化剂的选择,使生物柴油过程更加经济可行的和环保的。

2。材料和方法

2.1。网站描述

的c . M。收集种子样本用于生物柴油的合成从Jimma Oromia地区最大的城市位于埃塞俄比亚西南部。它有一个纬度7°40′12“N和经度36°49′48“E,海拔高度为1780米,这是适合的生长c . M。植物。

2.2。材料和设备

在实验工作中使用的重要的材料和设备c . M。种子,浪费鸡蛋壳,乙醇,烤箱,磨床,量筒,马弗炉,索氏仪器,旋转蒸发器,弹式热量计,分液漏斗,蒸馏水,酚酞,水浴,加热地幔,数字平衡,滤纸,本生灯,氢氧化钠,氢氧化钾烧杯,水浴,不同大小的锥形烧瓶。其他化合物的利用分析试剂级。

2.3。c . M。种子样品制备

种子被细胞壁破裂并释放溶质;参见图3。对直接接触接触平衡过程中溶剂。


图3
压碎c . M。种子。
2.4。提取c . M。籽油

干种子压扁在破碎机的组成部分的尺寸小于2.0毫米。然后,碎c . M。种子打包到顶针和正己烷为分析纯溶剂萃取装置中设置的dissolvable-to-the-solid比5:1 (v / w)。溶剂对固体比例被他们利用根据公约可能选择在工业规模和基于之前报道的结果和专利数据20.]。

2.5。鸡蛋壳废弃物制备催化剂

蛋壳洗用精制水消除杂质然后干在烤箱(105°C, 24 h)。样品压扁在玛瑙研钵硬件微粒(0.25 - 2毫米)。马弗炉中的微粒然后煅烧温度达到900°C 2小时给任何类型的碳和总从CaCO转换3曹。碎片是用作异构基乙酯催化剂的发展。整个连续的过程在图突出显示4。


图4
框图显示催化剂的制备CaO-eggshell废弃物是过程(图)。
2.5.1。催化剂表征

x射线衍射是一种最常用的结晶或无定形的阶段识别的技术。调查在日本岛津公司的样品衍射仪XRD Y3000(日本岛津公司、Nakagyo-Ku日本京都),使用Cu-Ka辐射(λ= 1.5406),运转30 kV和25马和扫描速度的0.03 / s。

2.6。实验工作的设计

在这个研究中,四个过程变量,痛苦的合成生物柴油,如反应温度、催化剂加载,ethanol-to-oil比例,和反应时间各有不同;26个实验进行。然后,是统计调查的数据设计专家11.1.2软件。three-level-four-factor表1和两个中心点是使用中心合成设计(CCD)。进行优化研究CCD应用最大化收益的生物柴油酯交换方法。

表1
实验工作的四个因素的设计。

实验值的转换c . M。籽油生物柴油在设计点在不同的参数得到,从这些值,收益率确定和记录。

3所示。结果与讨论

3.1。种子准备

收集到的种子从谷壳和其他杂质分离,然后称重前干燥除去多余的水分。特征三个样品的水分含量为7.366%,5.425%,和4.22%,分别获得平均含水率5.67% w / w,是在可接受的范围内对石油开采(21]。

3.2。石油开采

提取c . M。籽油进行使用加热和溶剂萃取的方法。100克的纯净的种子,19.8 g发现石油,这显示,19.8% (w / w)c . M。籽油提取使用加热方法而从100克净化种子,46.85 g发现石油,这显示,46.85% (w / w)c . M。籽油提取使用溶剂萃取。籽油的性质与他人相比在表表示2。

表2
总结的物理化学性质c . M。籽油与另一个原料(22]。
3.3。物理化学性质的鸡蛋壳灰烬

本研究考察了煅烧前后化学成分浪费鸡蛋壳通过XRD调查。图5显示了煅烧前后的化学结构;蛋壳完全白了所有的意图,这表明,碳酸钙逃掉了,项目就成了氧化钙。氧化钙颗粒大小的教廷,享年900岁 几乎是36.4 nm,强烈的感染高峰观察到2θ6.32 ,29.6 , , ,54.05 ,64.34 ,和 ,这对应于曹的特点。XRD谱的煅烧蛋壳测试获得cu-ka (λ在37.55 = 0.15405海里) ,扫描速度为0.030 /秒,扫描范围从5 到75年 ,这显示了从CaCO分解吗3曹。顶峰点就像那些在过去的研究报告(22,23]。


图5
XRD的氧化钙粉末煅烧温度为900°C(图)。
3.4。生物柴油生产的影响收益率的因素
3.4.1。乙醇油比的影响

获得最高的生物柴油产量的摩尔比10.5:1,虽然下降后的摩尔比10.5:1。这是理由是通过扩大乙醇含量、甘油一般解体的乙醇,乙醇与催化剂从反应,随后使它具有挑战性的孤立从生物柴油乙醇和甘油(25]。

3.4.2。反应温度的影响

随着温度的增加,从65年到75年 ,已观察到生物柴油产量显著增加。增加产量的FAEE更高的反应温度是由于更高的自酯交换反应速率从根本上是扩散控制。然而,当温度接近乙醇的沸点,FAEE产量减少的百分比。从这个实验中,反应温度的提高,明确显示了生物柴油产量和最高产量在70年得到生物柴油 。同样的,温度的增加增强脂肪油的皂化反应(26]。

3.4.3。反应时间的影响

获得最大的生物柴油产量的运行时间为1.375 h。渐渐地,皂化现象被认为在一段时间。因此,过高的反应时间减少生物柴油产量因为后退的反应。因此,反应时间是一个限制变量对生物柴油生产产量和影响生物柴油合成超过最大值(27,28]。

3.4.4。催化剂负载的影响

催化剂负载视为积极影响生物柴油产量达到一个特定的浓度。除了这个浓度,生物柴油产量减少和曹浓度的增加。这可以归因于这样一个事实:可用的催化活性表面转移反应平衡发展的关键和乙醇的反应混合物(29日]。

3.5。实验结果的统计调查

模型的统计调查已经完成评估方差分析(方差分析)。利用生产表面情节,利用拟合方程得到的回归分析,保持一个独立变量不变。中心复合设计(CCD)预计值和变量,导致实际实现生物柴油的高收益。酯交换过程的反应是用于开发的数值模型相关的收益率FAEE酯交换互动因素调查。设计专家版11软件(美国明尼阿波利斯stat容易Inc .)已经利用回归研究的实验数据和估值方程的统计学意义。

典型的模型方程,链接响应FAEE收益率(%)酯交换过程因素的编码因素是由以下方程: 在那里,一个——反应温度、B乙醇油比,C反应时间,D催化剂负载。他还是,交流,公元,公元前交互作用。

3.5.1。过程变量间的相互影响收益率FAEE百分比

过程因素有显著的交互作用,除了乙醇的摩尔比率与催化剂负载石油互动。之间的互动结果乙醇油比和反应时间显著( < 0.0001)的生物柴油产量,其次是反应温度和催化剂装载、反应温度、反应时间、反应温度、石油和乙醇比例的顺序,分别。获得的结果给出数据6- - - - - -9。


图6
反应温度和反应时间的交互效应对产量比例FAEE(图)。

图7
反应温度和乙醇的交互影响油比与产量比例FAEE(图)。

图8
反应温度和催化剂负载的交互影响与收益率FAEE(%)(图)。

图9
乙醇的交互影响油比和反应时间和百分比收益率FAEE(图)。

从图观察6、反应温度和反应时间有小交互之前70°C,他们对生物柴油的产量有积极的影响在4%乙醇催化剂加载,直到油比达到10.5:1。但是,超出10.5:1的乙醇油比在固定负载催化剂,生物柴油的产量略有下降由于乳液形成的事实。

图7显示的效果反应温度和乙醇对生物柴油油比收益率当催化剂浓度4%。随着反应温度的增加,较低的油摩尔比生物柴油的产量也增加了。生物柴油产量也增加随着乙醇油比增加到一个最优水平和减少。

从图可以推断8从2,增加催化剂加载到6%增加60到80°C的反应温度,生物柴油的产量大幅提升。似乎超出这个比例,生物柴油的产量逐渐减少。获得最高产量的乙醇油比10.5:1,反应时间1.375小时,反应温度为70°C催化剂负载的4%。

显示在图9,有一个反应时间之间的相互影响和乙醇油比。可以看出,随着反应时间上升,FAEE收益率普遍降低。原因是随着反应时间的增加乙醇油比倾向于减少的转换。

3.6。交互变量的优化

过程因素的增强在选择的最大变化范围从石油到FAEE执行。最优结果的预测模型是发现91.036%的催化剂装入5.802 wt. %,反应温度为76.117 ,反应时间为1.969人力资源,石油和乙醇摩尔比11.55的愿望值1.000。改进的优化结果也显示了类似的结果方差分析的输出。预测(91.036%)和实验的输出(91%)的值(生物柴油产量)最优情况下的协议。在其他情况下,最小偏差,即。,0.036%, among the predicted and experimental values of % (biodiesel yield) indicates that the typical equation is suitable and adequate to forecast the biodiesel yield from the process usingc . M。籽油、乙醇和糟鸡蛋壳浪费派生作为非均相催化剂通过酯交换反应过程研究的变量。的比较c . M。种子的生物柴油性质从这项研究提出了表3对海关组织的生物柴油。

表3
摘要:种子的生物柴油的理化性质与标准(30.]。
3.7。的红外光谱分析c . M。提取生物柴油特性

红外光谱进行了这个研究的生物柴油生产的特点c . M。籽油。获得的光谱和分析如图所示10。


图10
对获得的红外光谱c . M。本研究基于生物柴油生产的。

在3456厘米宽吸收带−1在上面的图10是认可的o . H。伸展振动水分子集团。锋利的乐队在2925和2853厘米−1是由于碳氢键弹性振动的乙烯组。该公司达到1745厘米−1(C = O酯)和1161厘米−1(切断酯)可用范围内分配给羰基官能团;这两个功能组确认乙酯和认可的生物柴油,这感觉是按照实验数据报告(17,31日,32]。观察到的主要山峰代表甘油三酸酯官能团,这是主要的组成部分c . M。生物柴油。此外,比较本研究与生产的生物柴油的性质规定国际标准见表4。表中认为,大部分的物理化学性质c . M。籽油生物柴油在良好的协议与国际标准处方。

表4
的相关性c . M。生物柴油与标准。

4所示。结论

在这项研究中,生物柴油的合成和优化c . M。籽油使用oxide-chicken蛋壳钙废弃物作为非均相催化剂。实验获得的石油产量从洗净晾干c . M。籽油用溶剂萃取的路线是46.85% (w / w),而使用加热方法是19.8% (w / w)。脱胶是足以降低FFA水平。使用中提取的生物柴油酯交换方法的特点是,和收益率从实验研究采用设计专家软件优化过程。流程变量显示显著的交互影响的名声产生基于获得的实验结果。反应时间和反应温度对FAEE收益率有更深远的影响比其他流程变量如催化剂加载和乙醇油比。最优模型预测的结果发现91.036%的催化剂负载5.802 Wt. %,反应温度为76.117 ,反应时间为1.969人力资源,石油和乙醇摩尔比11.55的愿望值1.000。优化的结果也显示同样的结果方差分析的输出。预测(91.036%)和实验(91%)值的生物柴油产量最优条件下优秀的协议。最小偏差,即。,0.036%, between the predicted and experimental values of the percentage of biodiesel yield indicates that the model equation is appropriate and more than adequate to predict the biodiesel yield process usingc . M。籽油、乙醇和糟鸡蛋壳浪费作为非均相催化剂通过酯交换反应变量的范围调查。红外光谱谱的结果证实了生物柴油的存在。合成的物理化学性质c . M。生物柴油决定被观察到在ASTM和EN标准所允许的范围值。

考虑到兼容的标准,c . M。种子可以替代原料的合成生物柴油,以帮助国家进口替代化石燃料的混合燃料。保持在查看所有这些属性,大型种植这种作物可能在未来进行合成生物柴油在更大的范围内能够有积极的影响,将为当地社区的贫困产生新的就业机会。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认金融支持Wollega大学和Jimma大学理工学院。部分支持JiT卓越中心的连接能源与水资源和农业。