بهینه سازی درتولید بیودیزل از دانه‌ی کلزا به روش میدان الکتریکی پالسی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار مهندسی شیمی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران. *(مسوول مکاتبات)

2 کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران.

10.22034/jest.2019.13705

چکیده

زمینه و هدف: بیودیزل سوخت مشتق شده از منابع تجدیدپذیری هم‌چون دانه‌های روغنی خوراکی و غیر خوراکی است. بر خلاف روش مرسوم تولید بیودیزل، جهت ساده سازی فرآیند و کاهش هزینه‌های تولید می­توان ترانس استریفیکاسیون را مستقیما و بدون استخراج اولیه بر دانه‌های روغنی انجام داد.
روش بررسی: در این پژوهش بررسی تولید بیودیزل به روش میدان الکتریکی پالسی و اثرات آن بر بازده جرمی تولید استر در استخراج واکنشی دانه کلزا خرد شده در نسبت بهینه متانول به روغن و غلظت کاتالیست مورد بحث قرار گرفته است. بازده جرمی استر در فرآیندهای با میدان و بدون میدان مقایسه شده است.
یافته‌ها: نتایج نشان داد نسبت بهینه متانول به روغن 475:1 و غلظت کاتالیست mol NaOH/kg methanol 1/0به‌دست آمده و با استفاده از روش پیش آماده سازی میدان الکتریکی پالسی، بازده جرمی بیودیزل در استخراج واکنشی در دمای ملایم افزایش یافته و تنها در 1 دقیقه به بیش از %76 رسید. هم‌چنین بررسی های اثر شدت میدان نشان داده که استفاده از میدان kV/cm 7 موجب افزایش %5/58-9 درصدی بازده جرمی و افزایش حدوداً 1 درصدی میزان تبدیل نسبت به نمونه بدون میدان در دمای ملایم و اندازه ذره 1200-300 میکرون ­شده است. بررسی پارامترهای موثر در فرآیند نشان می­دهد افزایش فرکانس و تعداد پالس، دما و اندازه ذره منجر به افزایش بازده جرمی تولید بیودیزل می­شود.
بحث و نتیجه‌گیری: نتایج تحقیق نشان دهنده آن است که می­توان از میدان الکتریکی پالسی به عنوان روشی مطلوب جهت تولید و بهینه نمودن بازده فرآیند استخراج تحت شرایط دمایی پایین بهره برد.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیستم، شماره چهار ، زمستان 97

 

بهینه سازی درتولید بیودیزل از دانه‌ی کلزا به روش میدان الکتریکی پالسی

 

محمد علی صالحی [1]*

masalehi@guilan.ac.ir

نرگس احمدی[2]

تاریخ دریافت: 25/08/94

تاریخ پذیرش:20/11/94

 

چکیده

زمینه و هدف: بیودیزل سوخت مشتق شده از منابع تجدیدپذیری هم‌چون دانه‌های روغنی خوراکی و غیر خوراکی است. بر خلاف روش مرسوم تولید بیودیزل، جهت ساده سازی فرآیند و کاهش هزینه‌های تولید می­توان ترانس استریفیکاسیون را مستقیما و بدون استخراج اولیه بر دانه‌های روغنی انجام داد.

روش بررسی: در این پژوهش بررسی تولید بیودیزل به روش میدان الکتریکی پالسی و اثرات آن بر بازده جرمی تولید استر در استخراج واکنشی دانه کلزا خرد شده در نسبت بهینه متانول به روغن و غلظت کاتالیست مورد بحث قرار گرفته است. بازده جرمی استر در فرآیندهای با میدان و بدون میدان مقایسه شده است.

یافته‌ها: نتایج نشان داد نسبت بهینه متانول به روغن 475:1 و غلظت کاتالیست mol NaOH/kg methanol 1/0به‌دست آمده و با استفاده از روش پیش آماده سازی میدان الکتریکی پالسی، بازده جرمی بیودیزل در استخراج واکنشی در دمای ملایم افزایش یافته و تنها در 1 دقیقه به بیش از %76 رسید. هم‌چنین بررسی های اثر شدت میدان نشان داده که استفاده از میدان kV/cm 7 موجب افزایش %5/58-9 درصدی بازده جرمی و افزایش حدوداً 1 درصدی میزان تبدیل نسبت به نمونه بدون میدان در دمای ملایم و اندازه ذره 1200-300 میکرون ­شده است. بررسی پارامترهای موثر در فرآیند نشان می­دهد افزایش فرکانس و تعداد پالس، دما و اندازه ذره منجر به افزایش بازده جرمی تولید بیودیزل می­شود.

بحث و نتیجه‌گیری: نتایج تحقیق نشان دهنده آن است که می­توان از میدان الکتریکی پالسی به عنوان روشی مطلوب جهت تولید و بهینه نمودن بازده فرآیند استخراج تحت شرایط دمایی پایین بهره برد.

واژه­های کلیدی: فرآیند غیر حرارتی، میدان الکتریکی پالسی، ترانس استریفیکاسیون تک مرحله‌ای قلیایی، بیودیزل.

 

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 20, No.4, Winter 2019

 

 

 

 

 


Optimization of biodiesel production from rapeseed using pulsed electric field method

                                                                                                                                                    

Mohammad Ali Salehi[3]*

masalehi@guilan.ac.ir

Narges Ahmadi[4]

 

Admission Date: February 9, 2016

Data Received: November 16, 2015

 

Abstract

Background and Objective: Biodiesel is a fuel derived from renewable resources such as edible and non-edible oil-bearing seeds. Unlike conventional biodiesel processes, to simplify production process and reduce production costs, transesterification can be performed on the oil-bearing seeds directly and without prior extraction.

Method: In this study, application of pulsed electric field and its effects on the efficiency of mass production of ester crushed canola seed by reactive extraction with the optimum ratio of methanol to oil and concentration of catalyst were discussed. Esther mass efficiencies were compared in the processes with and without electric field.

Findings: According to the results, the optimal methanol to oil ratio of 1:475 and a catalyst concentration of 0.1 mol NaOH/kg methanol were obtained. Using the pulsed electric field pre-preparation method, the biodiesel mass efficiency in reactive extraction at a moderate temperature increased and reached over 76% only in 1 minute. Also, studies have shown that the using a field of 7kV/cm increases mass efficiency by 9–58.5% and increases the conversion rates compared to the control sample in moderate temperature and particles sizes of 1200-300 micron by about 1%. Study of the effective parameters showed an increase in the frequency and number of pulses, temperature and particle size, leading to increase of the efficiency of biodiesel production.

Discussion and Conclusion: The results indicate that the electric field pulse could be desirable as a way to generate and optimize the efficiency of the extraction process used under low temperature conditions.

Keywords: Non-thermal process, Pulsed Electric Filed, Alkaline in-situ Transesterification, Boidiesel.

 

مقدمه

 

سوخت‌های فسیلی از دیرباز منبع انرژی در موتورهای احتراق بوده اند. استفاده روز افزون از سوخت‌های فسیلی، افزایش قیمت محصولات نفتی به‌علت کاهش ذخایر موجود و مشکلات زیست محیطی ناشی از استفاده از این سوخت‌ها، منجر به تمایل بیش از پیش برای استفاده از سوخت‌های جایگزین شده است. یکی از این انرژی‌های پاک و تجدید پذیر بیودیزل است (1،2). بیودیزل سوخت دیزلی است که از روغن گیاهی یا چربی حیوانی گرفته می­شود. این سوخت بر پایه­ی استرهای آلکیلی دراز زنجیر (متیل، اتیل، پروپیل) و سوخت‌های اکسیژن دار گرفته شده از منابع زیستی بوده و از روش‌های مختلفی تولید می­شود. این ماده زیست تخریب پذیر و غیر سمی از لحاظ زیست محیطی سودمند است (3،4) و می­تواند به سادگی در اکثر موتورها بدون هیچ گونه تغییر و اصلاحی مورد استفاده قرار گیرد. به علاوه عمل‌کرد موتورهای استفاده کننده از بیودیزل نشان داده است که می‌توان عمل‌کرد آن ها را با موتورهایی که با سوخت دیزل مرسوم کار می‌کنند مقایسه کرد (5).

نظریه استفاده از روغن‌های گیاهی به عنوان سوخت، از حدود صد سال پیش مورد توجه قرار گرفت. اولین موتور دیزل توسط رودلف دیزل در سال 1893 توسط سوخت گرفته شده از بادام زمینی طراحی شد (6). در دهه 1920 و 1930 در طول جنگ جهانی دوم، بسیاری از کشورها شروع به استفاده از روغن‌های گیاهی در موتورها کردند. با وجود این، به علت ویسکوزیته بالای روغن گیاهی نسبت به پترودیزل، مشکلاتی از جمله اسپری و اتمی شدن ضعیف پدید آمد که نتیجه آن کک سازی در انژکتور[5]، محفظه احتراق و شیرها بود. در پی تلاش برای حل این مشکل، در آگوست 1937 شاوان[6] در دانشگاه بروکسل[7] پتنت "تغییر روغن گیاهی برای استفاده به عنوان سوخت" [8] یا همان ترانس استریفیکاسیون روغن گیاهی به بیودیزل را به نام خود ثبت کرد،که بر مبنای آن پس از ترکیب روغن با متانول یا اتانول، متیل استرهای چرب آن از گلیسرول جدا می­شود. گورینگ و همکاران در سال 1981 خصوصیات 11 نوع روغن گیاهی را به منظور تعیین روغن مناسب به عنوان یک سوخت جایگزین سوخت دیزل مورد مطالعه قرار دادند. از 11 نوع روغن بررسی شده روغن‌های ذرت، کلزا، دانه کتان، کنجد و سویا بیش‌ترین خصوصیات سوخت را دارا بودند (7). ما و هانا (1999) به بررسی فوآید بیودیزل‌ها پرداختند. نتایج نشان داد این سوخت‌ها قابلیت تجدید پذیری و تجزیه بیولوژیکی داشته و غیر سمی هستند (8). پس از بیانیه "سیاست گذاری‌های انرژی" در سال 2005، استفاده از بیودیزل در ایالات متحده افزایش یافت (9). در انگلستان نیز بیانیه "اجبار استفاده از سوخت‌های تجدید پذیر در بخش حمل و نقل" تامین کنندگان سوخت را مجبور به استفاده از سوخت بیولوژیکی در موتورهای دیزلی کرد. در سال 2005 شرکر دایملر کرایسلر[9] اولین جیپ دیزلی خود با سوخت B5 را وارد بازار نمود. این مساله نشان دهنده پذیرش بیودیزل به عنوان سوخت بود (10). در 15سپتامبر 2007 قطار رویال برای اولین بار با سوخت بیودیزل 100% به طور موفقیت آمیزی شروع به کار کرد و در تابستان 2008 نیز قطار شرقی واشنگتن با سوخت 25% بیودیزل حاصل از کانولا به کار افتاد. روش‌های قدیمی استفاده از روغن عبارتند از ترکیب کردن روغن خام، میکرو امولسیون و آتش‌کافت. به علت مشکلات موجود بر سر راه سوخت تولید شده از این روش‌ها، در حال حاضر از روش تبادل استری (ترانس استریفیکاسیون) برای تولید سوخت استفاده می‌شود. در روش مرسوم تولید بیودیزل، باید پیش از فرآیند ترانس استریفیکاسیون، روغن را از دانه‌های روغنی استخراج کرد. فرآیند استخراج روغن شامل استفاده از حلال (معمولا هگزان) در اکستراکتورهای جریان متقابل[10] و یا اکستراکتورهای مکانیکی هم‌چون چرخ کننده‌های فشاری[11] است. با وجود این، استخراج با حلال پرهزینه و پیچیده بوده و به علت استفاده از مواد اشتعال پذیر و قابل انفجار، سلامتی و ایمنی کاربر را به خطر می­اندازد (11). در حالی‌که با استفاده از استخراج واکنشی می­­توان نیاز به استخراج روغن پیش از ترانس استریفیکاسیون برای تولید بیودیزل را حذف کرد (12). در این روش روغن به طور هم‌زمان استخراج و فرآیند استری شدن در فرآیندی یک مرحله‌ای به آلکیل استر تبدیل می­شود. بنابراین مراحل جداگانه استخراج و پالایش روغن به علت استخراج هم‌زمان توسط واکنش دهنده حذف می­گردد.

در این پژوهش تلاش بر این است تاثیر میدان الکتریکی پالسی (PEF) به عنوان یک روش پیش آماده سازی در افزایش بازده استخراج روغن در فرآیند ترانس استریفیکاسیون تک مرحله ای دانه‌ی کلزا مورد بررسی قرار گیرد. دلیل استفاده از این روش غیرگرمایی، پایین بودن میزان مصرف انرژی، کوتاه بودن زمان استخراج، پایین بودن هزینه عملیاتی اعمال میدان و عدم نیاز به استخراج اولیه است.

تکنولوژی PEF شامل اعمال پالس‌هایی در مدت زمان کوتاه (در حد میکروثانیه) در میدان الکتریکی قوی بر نمونه بین دو الکترود و در دمای اتاق است. میدان‌های الکتریکی پالسی کوتاه مدت با شدت زیاد، تجزیه شوندگی الکتریکی سلول‌ها را موجب شده و نفوذ پذیری آن‌ها را افزایش می‌دهد (16-13).

روش بررسی

آماده سازی بذر

برای انجام این تحقیق، دانه‌ی کلزا از بازار‌های بومی استان گلستان تهیه گردید. پس از شست­ و ­شو و خشک کردن دانه ها توسط خردکن به مدت 30 و 60 ثانیه، ذرات با استفاده از الک‌هایی با اندازه مش 16، 20، 30 و 50 در اندازه های متفاوت جداسازی شده و برای رسیدن به وزن ثابت به مدت 4 ساعت درون آون با دمای 90 درجه سانتی گراد قرار گرفتند.

 

 

ب

 

الف

 

شکل 1- بذر با اندازه مش 50 (الف) و اندازه مش 16(ب)

Figure1- Seeds with mesh size of a.50 and b.16

 


استخراج سوکسله

 

برای استخراج تری گلیسیرید از دانه کلزا با سایز مشخص از حلال های متانول، اتانول، مخلوط 50-50 متانول-اتانول و هگزان استفاده شد و استخراج به کمک دستگاه سوکسله انجام گردید. پس از انجام آزمایش برای بازیابی حلال و محاسبه میزان استخراج، بالن حاوی مخلوط حلال و روغن به کندانسور متصل شده و داخل حمام آبی با دمای 70 درجه سانتی گراد قرار گرفت. آب سرد ورودی به کندانسور در دمای محیط (در حدود 23-21 درجه) تنظیم شد. هنگامی که کم‌تر از 10 درصد از محلول داخل بالن باقی ماند، بازیابی حلال متوقف شده و باقی­مانده به بشر از پیش توزین شده منتقل گردید. بشر در فواصل زمانی 5 دقیقه ای تا رسیدن به وزن ثابت داخل آون با دمای 70 درجه سانتی گراد قرار گرفته و پس از ثابت شدن وزن، مقدار ماده استخراجی ثبت شد.

تمامی آزمایشات 3 بار تکرار شده و  به دلیل وجود تفاوت کم‌تر از 5 درصد میان نتایج آزمایشات با مقادیر ذکر شده توسط زکریا و هاروی[12] مشاهده شد که درصد روغن هر دو نمونه بذر با تقریب خوبی مشابه بوده است. بنابراین از نسبت های بهینه به‌دست آمده در منبع ذکر شده (11)؛ که بر­مبنای میزان روغن هستند، با دقت مناسب برای انجام آزمایشات استفاده شد. بر همین اساس نسبت بهینه 475:1 متانول به روغن برای تعیین میزان متانول (250 میلی لیتر) و نیز مقدار بهینه 1/0 مول سود بر کیلوگرم حلال در فرآیند ترانس استریفیکاسیون، به کار برده شد.

 استخراج با استفاده از میدان الکتریکی پالسی

برای انجام فرآیند استخراج با استفاده از میدان الکتریکی
پالسی، 25 گرم پودر خشک کلزا بین دو الکترود و درون راکتور شیشه ای حاوی 250 میلی لیتر محلول قلیایی تهیه شده از حل کردن سدیم هیدروکسید با غلظت 1/0 مول سود بر کیلوگرم متانول قرار گرفت (مطابق شکل 2). سپس پالس‌هایی با شدت میدان kV/cm 7 در دو فرکانس متفاوت 2و 50 هرتز و در تعداد پالس 60، 120، 1500 و 3000 در دمای 23 درجه و دمای معتدل 35 درجه سانتی گراد به نمونه اعمال گردید.

 

 

 

 

شکل 2-راکتور دو جداره به همراه الکترودها در حلال

Figure 2- Jacket reactor with electrodes in solvent

 

 

 پس از گذشت 120 دقیقه از واکنش برای خنثی کردن کاتالیست و جلوگیری از پیشرفت واکنش، مخلوط با اسید هیدروکلریدریک 12 مولار تیتر شده و به دکانتور منتقل گشت. سپس 50 میلی لیتر نرمال هگزان به عنوان حلال کمکی به مخلوط اضافه و پس از استراحت 10 دقیقه ای مخلوط متانول- بیودیزل- هگزان، با اضافه کردن 25 میلی لیتر آب مقطر دیونیزه به مخلوط، محلول حاصل در کم‌تر از 30 ثانیه دو فازی شد. پس از خارج کردن فاز پایین (فاز متانول)، فاز بالا که حاوی بیودیزل و نرمال هگزان بود داخل یک ارلن از پیش توزین شده ریخته شده و بعد از بازیابی هگزان، در فواصل زمانی 5 دقیقه ای تا رسیدن به وزن ثابت درون آون با دمای 80 درجه سانتی گراد قرار داده شد. سپس بیودیزل استخراجی با آب دیونیزه (5/2 برابر حجمی) شسته و با استفاده از دکانتور جداسازی شده و توسط سدیم فسفات آب موجود در آن به طور کامل حذف گردید. وزن نهایی به عنوان وزن بیودیزل استخراجی ثبت و نمونه برای آنالیز N.M.R فرستاده شد.

 استخراج بدون اعمال میدان الکتریکی پالسی

برای استخراج بیودیزل بدون کمک میدان الکتریکی پالسی، ابتدا 25 گرم از دانه روغنی خرد و الک شده داخل بالن ته گرد ml 500  مجهز به گرداننده[13] با سرعت ثابت rpm 400 ریخته و بالن داخل حمام آبی در دمای ثابت قرار داده شد. ml250 محلول قلیایی با غلظت 1/0 مولار تا دمای 23 و 35 درجه سانتی گراد پیش­گرم سپس به بالن انتقال داده شد و واکنش در زمان 30 و 60 ثانیه و دمای مشخص، در مخلوط صورت گرفت. پس از طی زمان 2 ساعت از واکنش همانند روش میدان الکتریکی پالسی، اسید هیدروکلریک 12 مولار به مخلوط اضافه گردید. مخلوط شامل دانه، با استفاده از فیلتراسیون تحت خلأ  جدا شده و مانند استخراج با میدان الکتریکی پالسی به محلول استخراج 50 میلی لیتر نرمال هگزان و 25 میلی لیتر آب مقطر دیونیزه اضافه گردید. به این ترتیب پس از 10 دقیقه استراحت، مخلوط به دو فاز شامل استر در فاز بالا و گلیسرول در فاز پایین تقسیم ­شده و دو فاز از طریق قیف جدا کننده جداسازی شدند. وزن هر لایه ثبت شده و فاز استر با استفاده از روش H N.M.R آنالیز ­گردید.

 استفاده از H N.M.R برای تعیین درصد تبدیل در واکنش ترانس استریفیکاسیون

از ده سال گذشته تاکنون، نقش NMR در شیمی روغن ها افزایش یافته است. اندازه گیری­ها با روش NMR می­تواند مسیر تکمیل واکنش ترانس استریفیکاسیون را نیز مشخص نماید. اولین بار گلبارد و همکاران(1995) معادله (1) را برای تعیین بازده فرآیند ترانس استریفیکاسیون روغن کلزا با استفاده از روش آنالیز NMR تعیین کردند (17). این معادله تنها برای فرآیندهای الکلیز انجام شده با متانول قابل استفاده است و برای باقی الکل ها باید اصلاحاتی در آن صورت گیرد.

 

(1)

 

در این معادله C درصد تبدیل گلیسریدها به متیل استر اسید چرب، IMEمساحت پیک متیل استر و ICH2  مساحت پیک گروه متیلن گلیسریدها است. ضریب 2 و 3 نیز به ترتیب مربوط به تعداد اتم کربن گروه متیلن و گروه استر است.

 بازده استر استخراج شده

بازده استر استخراج شده پس از اتمام آزمایش را می­توان از رابطه (2) نیز محاسبه ­کرد:

(2)                                                                          

 

که در این رابطه Wester جرم استر در فاز بالا، Wtg جرم تری‌گلیسرید داخل دانه و ضریب 995/0 برای اصلاح اختلاف جرم مولکولی تری­گلیسرید و استر است

یافته ها

تعیین دانسیته بیودیزل

دانسیته یکی از خواص عمومی کیفیت بیودیزل و مقدار استاندارد آن در محدوده 90/0-85/0 است. برای محاسبه دانسیته می­توان مستقیما از دانسیتومتر استفاده کرد و یا از طریق اندازه گیری جرم مخصوص با پیکنومتر، دانسیته را محاسبه کرد. برای استفاده از این روش، ابتدا پیکنومتر یک ساعت داخل آون 90 درجه قرار داده شده و پس از خنک شدن در دسیکاتور وزن گردید. در مرحله بعد، یک بار  پیکنومتر خشک حاوی آب مقطر و یک بار پیکنومتر خشک حاوی بیودیزل وزن شد. جرم مخصوص بیودیزل از طریق رابطه (3) و دانسیته بیودیزل از طریق رابطه (4) محاسبه شدند.

(3)

 

(4)

 

که در این رابطه sgbio جرم مخصوص بیودیزل، Wpw وزن پیکنومتر خشک حاوی آب مقطر، Wpb وزن پیکنومتر خشک حاوی بیودیزل، Wp وزن پیکنومتر خشک ، bioρ دانسیته بیودیزل و wρ دانسیته آب مقطر است.

جرم مخصوص و دانسیته بیودیزل طبق رابطه (3) و (4) به ترتیب برابر با 851/0 sgbio= و kg/m3 851 bio=ρ به‌دست آمده است.

 استخراج واکنشی بدون اعمال میدان الکتریکی پالسی

درصد تبدیل و بازده فرآیند ترانس استریفیکاسیون در دمای  35 درجه سانتی گراد و پس از طی زمان استخراج 1 دقیقه و زمان استراحت 120 دقیقه با روش NMR و استفاده از مساحت پیک متیل استر و تری گلیسرید درج شده در (3) و با به‌کارگیری معادلات (1) و (2) محاسبه شده است.

 

 

شکل 3-طیف 1H­NMR بیودیزل به‌دست آمده از ترانس استریفیکاسیون تک مرحله ای قلیایی بدون اعمال میدان الکتریکی پالسی در دمایC 35 و زمان استراحت  min 120 (حلالCDCl3)

Figure 3- NMR spectrum of biodiesel obtained from alkaline in-situ transesterification without pulsed electric field at T=35 ˚C and rest time 120 min (CDCl3 as solvent)

 

 

  درصد تبدیل     

آزمایشات صورت گرفته جهت اندازه گیری میزان بیودیزل با فرآیند ترانس استریفیکاسیون تک مرحله ای قلیایی، در جدول (1) خلاصه شده است.


 

جدول 1- ‏0 استخراج واکنشی بدون اعمال میدان الکتریکی پالسی

Table 1- Reactive extraction without pulsed electric field

شماره مش

زمان (s)

دما (C˚)

وزن بیودیزل(g)

بازده استر(%)از روش نسبی رابطه(2)

بازده استر(%)از روش NMR رابطه(1)

16

60

35

34/0

69/3

54/3

20

60

35

78/0

39/8

12/8

30

60

35

98/0

48/10

20/10

50

60

35

77/1

83/18

42/18

 

 

 

در جدول (1) بازده استخراج فرآیند واکنشی (یا فرآیند ترانس استریفیکاسیون تک مرحله ای) پایین است. زیرا هیچ گونه عملیات پیش آماده سازی و یا عملیات پس از اختلاط، مانند اعمال فشار در آن صورت نگرفته و استخراج تنها به واسطه حرارت و وجود کاتالیست انجام گرفته است. بنابراین این بازده پایین قابل انتظار است. البته زمان انجام فرآیند و دما نیز در این عملیات موثر است. با افزایش زمان و دما میزان بیودیزل استخراجی مقدار بسیار کمی افزایش یافته و در نتیجه بازده استر نیز افزایش می­یابد. اما به دلیل جزیی بودن تاثیر، از اعمال آن­ها صرف نظر شده است. هم‌چنین مقایسه بازده محاسبه شده از روش نسبی و روش NMR نیز در (1) آمده است. برای تصحیح ضریب 995/0 به کار رفته در رابطه (2) که از نسبت جرم مولکولی استر به تری­گلیسرید بدست آمده است، از روش NMR استفاده شده است. این ضریب از رابطه (1) برابر با 978/0 حاصل شده است. در جدول (1) اختلاف بازده‌ها کم‌تر از 5/0 درصد است. در نتیجه می­توان در صورت عدم امکان استفاده از روش‌های آنالیز هم‌چون NMR و HPLC از رابطه (2) با دقت خوبی استفاده کرد.

 استخراج واکنشی تحت تاثیر میدان الکتریکی پالسی

درصد تبدیل و بازده فرآیند ترانس استریفیکاسیون تک مرحله‌ای با اعمال میدان الکتریکی پالسی، در دماهای 23 و 35 درجه سانتی گراد و پس از طی زمان استخراج 1 دقیقه و زمان استراحت 120 دقیقه با روش NMR در  شکل‌های (4 و 5) و به‌کارگیری روابط (1) و (2) محاسبه شده است.

 

 

 

 

شکل4- طیف H­NMR بیودیزل بدست آمده از ترانس استریفیکاسیون تک مرحله ای قلیایی با اعمال میدان الکتریکی پالسی در دمایC 23 و زمان استراحت min 120 (حلالCDCl3 )

Figure 4- NMR spectrum of biodiesel obtained from alkaline in-situ transesterification with pulsed electric field at T=23 ˚C and rest time 120 min (CDCl3 as solvent)

درصد تبدیل     

 

شکل 5- طیف H­NMR بیودیزل بدست آمده از ترانس استریفیکاسیون تک مرحله ای قلیایی با اعمال میدان الکتریکی پالسی در دمایC 35 و زمان استراحت min 120 (حلالCDCl3 )

Figure 5- NMR spectrum of biodiesel obtained from alkaline in-situ transesterification with pulsed electric field at T=35 ˚C and rest time 120 min (CDCl3 as solvent)

 

 

درصد تبدیل:   

مطابق 5 مقادیر درصد تبدیل به‌دست آمده از فرآیند در دمای 23 و 35 درجه به ترتیب برابر با %44/98 و %24/99 است. بنابراین افزایش 12 درجه‌ای دما موجب افزایش 8/0 درصدی درصد تبدیل و در نتیجه بازده فرآیند شده است. 

 اثر میدان الکتریکی پالسی بردرصد بازده بیودیزل استخراجی

عموما بازده بیودیزل به‌دست آمده از کلزا پس از اعمال میدان الکتریکی پالسی افزایش می­یابد. با اعمال میدان الکتریکی با
قدرت بیش از kV/cm 1، حفره‌های دایمی روی دیواره سلولی ایجاد می­شود که انتقال جرم و استخراج روغن را سهولت می‌بخشد.

در شکل(6) درصد بازده جرمی بیودیزل به‌دست آمده از استخراج، قبل از اعمال میدان پالسی و بعد از آن مشاهده می­شود. درصد بازده جرمی بیودیزل پس از اعمال میدان با قدرت kV/cm 7 و تعداد پالس 3000 در دمای C 35 در مدت زمان s60، 04/9 درصد در اندازه مش 16، 89/15 درصد در اندازه مش20، 2/53 درصد در اندازه مش 30 و 51/58 درصد در اندازه مش 50 افزایش یافت.

 

 

 

شکل 6-مقایسه بازده جرمی بیودیزل قبل و بعد از اعمال میدان پالسی kV/cm 7 با فرکانس Hz 50 در زمان استخراج s 60 و دمای C 35

Figure 6- Comparison biodiesel efficiency before and after the application of pulse field 7kV/cm, F=50 Hz, t=60 s and T= 35˚C

 

 

طبق نتایج به‌دست آمده از زکریا و هاروی، حداکثر بازده استخراج در دمای 35 درجه و زمان120 دقیقه برای مش 50 (با ثابت بودن باقی پارامترها) برابر با %85 است. در حالی که پس از اعمال میدان الکتریکی پالسی در دمای 35 درجه و زمان استخراج 1 دقیقه برای مش 50 این مقدار به 92/76 درصد رسیده است. این بدان معنا است که با استفاده از میدان در 01/0 زمان استخراج معمول، می­توان به بیش از %90 بازده جرمی استر دست پیدا کرد.

2.3.3. تاثیر اندازه ذره بر جرم بیودیزل استخراجی اثر اندازه ذره به ازای تعداد پالس‌های مختلف در میدانی با قدرت kV/cm 7، بر جرم بیودیزل حاصل از استخراج را می­توان در شکل 7 (الف تا د) مشاهده کرد.

 

 

ب                                                                                     الف

 

د                                                                                ج

شکل 7-تاثیر اندازه مش بر وزن بیودیزل در تعداد پالس های مختلف ( الف: 60، ب: 120، ج: 1500، د: 3000)

Figure 7- The impact of mesh size on the weight of biodiesel at different number of pulses

 (a.60, b.120, c.1500, d.3000)

 

 

افزایش سایز مش به معنای کاهش اندازه ذرات است. همان­طور که مشاهده می­شود در تعداد پالس یکسان، با کاهش اندازه ذره میزان تولید بیودیزل افزایش می­یابدکه  این امر می­تواند ناشی از شکست تعداد بیش‌تری از دیواره‌های سلولی طی فرایند خرد کردن و درنتیجه آزاد شدن روغن بیش‌تری روی سطح ذره باشد. هم‌چنین کاهش اندازه ذره منجر به کوتاه تر شدن مسیر نفوذ روغن ، حلال و کاهش مسیر نفوذ پالس به دیواره سلولی شده و استخراج را افزایش می­دهد.

 تاثیر فرکانس و تعداد پالس بر جرم بیودیزل استخراجی

در شکل 8 (الف تا د) اثر افزایش پالس در میدان kV/cm 7 و دمایC 23وC 35 بر از هم گسیختگی دیواره سلولی دانه روغنی و وزن بیودیزل استخراج شده از روش میدان الکتریکی پالسی مورد بررسی قرار گرفته است. همان­طور که مشاهده می­شود در تمامی حالات با افزایش فرکانس و زمان اعمال پالس که مستقیما منجر به افزایش تعداد پالس می­شوند، میزان استخراج افزایش می­یابد.

 

 

ب                                                                          الف

 

د                                                                                ج

شکل 8-تاثیر تعداد پالس بر وزن بیودیزل در مش های مختلف (الف: 16، ب: 20، ج: 30، د: 50)

Figure 8- The impact of number of pulses on the weight of biodiesel at different mesh

 (a.16, b.20, c.30, d.50)


 تاثیر دمای واکنش بر جرم بیودیزل استخراجی

 

اثر افزایش دما بر وزن بیودیزل استخراجی در دو مش 16 و 20 در شکل 9 (الف و ب) مورد بررسی قرار گرفته است. افزایش  شدت استخراج و افزایش دمای واکنش از 23 به 35 درجه سانتی گراد، سرعت تشکیل استر خصوصا در اوایل واکنش را افزایش می­دهد. با وجود این، بازده تعادلی نهایی مانند قبل بوده و زمان مورد نیاز برای رسیدن به حداکثر بازده در دماهای بالا و پایین مشابه است. بر اساس شیب نمودار به‌دست آمده از شکل (9-الف) و (9-ب) درمی­یابیم که افزایش دما از 23 به 35 درجه سانتی گراد در ذرات بین 1200-900 میکرون (مش 20-16) اثر جزیی بر بهبود استخراج دارد ولی هرچه ذرات کوچک­تر باشند، این اثر مشهودتر است. بنابراین طبق نظر وینسنته(2005) می­توان فرآیند ترانس استریفیکاسیون را در دمای زیر 20 درجه بدون تاکید زیاد بر سرعت و درصد تبدیل انجام داد که از نظر اقتصادی فرآیندی مطلوب است (18).

 

 

الف

 

ب

شکل 9- اثر دما بر وزن بیودیزل استخراجی با قدرت میدان kV/cm  7 در دو مش الف: 16 و ب:20

Figure 9- The effect of temperature on the weight of biodiesel extracted with field strength 7kV/cm in two mesh size a.16 and b. 20


نتیجه گیری

 

در این مقاله اثر میدان الکتریکی پالسی بر بازده جرمی بیودیزل تولید شده از فرآیند استخراج واکنشی دانه کلزا، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد بکارگیری روش PEF منجر به بهبود فرآیند استخراج می‌شود، بطوریکه حداکثر درصد تبدیل در فرآیند استخراج واکنشی بدون میدان، محاسبه شده از روش H NMR ، برابر با %80/97 بوده و حداکثر درصد بازده جرمی آن برابر با %42/18 است، در حالی که اعمال میدان برای همین فرآیند درصد تبدیل را حدودا %1 و درصد بازده جرمی را برای حالت حداکثری %5/58 افزایش می­دهد. به‌علاوه، در صورت استفاده از این روش برای رسیدن به بازده بالا، دیگر نیازی به حرارت دهی در دمای بالا و زمان طولانی نیست. در نتیجه مصرف انرژی بسیار کاهش می­یابد. از طرفی مشخص گردید با کاهش اندازه ذره و با افزایش فرکانس، تعداد پالس و دما، مقدار جرمی تولید بیودیزل افزایش می‌یابد.

تشکر و قدردانی

بدین وسیله از حمایت‌های مالی و خدماتی دانش‌کده فنی دانش‌گاه گیلان جهت انجام این پروژه قدردانی می‌گردد.

Reference

1-     Ghobadian, B., Khatami Far, M., 2006, Biodiesel production from edible oil residue, 2nd national conference of agricultural waste material, Tehran, Iran. (In Persian).

2-   Fayazi, I., 2013, Biodiesel production using ultrasonic method, M.Sc. in agricultural machinery, Tarbiat Modares University, Faculty of Agricultural Machinery, Page 7. (In Persian).

3-     Demirbas, A., Biodiesel fuels from vegetable oils via catalytic and non-catalytic supercritical alcohol transesterifications and othe r methods: a survey. Energy conversion and management, 2003. 44: p.2093-2109.

4-     Krawczyk, T., Biodiesel-alternative fuel makes inroads but hurdles remain. Inform, 1996. 7(8): p. 801-829.

5-     Canakci, M. and J.H. Van Gerpen, Comparison of engine performance and emissions for petroleum diesel fuel, yellow grease biodiesel, and soybean oil biodiesel. Transactions of the ASAE, 2003. 46(4): p. 937-944.

6-     Al-Widyan, M. I. and Al-Shyoukh, A. O., Experimental evaluation of the transesterification of waste palm oil into biodiesel. Bioresource technology, 2002. 85: 253-256.

7-   Nazari, A. 2009, Determination of fuel properties of rapeseed oil as biodiesel, M.Sc. in agricultural machinery, Ferdowsi University of Mashhad, Faculty of Agricultural Machinery, Page 17. (In Persian)

8-     Ma, F. & Hanna, M. A., Biodiesel Production: a Review. Bio Resource Technology, 1999. 70: p. 1-15.

9-     House, W., Twenty in Ten: Strengthening America's Energy Security. Fact Sheet. Washington, DC: White House Office of Communications, January, 2007. 23.

10-  Kemp, W.H., Biodiesel, basics and beyond: A comprehensive guide to production and use for the home and farm. 2006: Aztext Pr.

11-  Zakaria, R. and A.P. Harvey, Direct production of biodiesel from rapeseed by reactive extraction/in situ transesterification. Fuel Processing Technology, 2012. 102: p. 53-60.

12-  Harrington, K.J. and C. D’Arcy-Evans, A comparison of conventional and in situ methods of transesterification of seed oil from a series of sunflower cultivars. Journal of the American Oil Chemists Society, 1985. 62(6): p. 1009-1013.

13-  Pourzaki, A., Mirzaee, H., Pulsed Electric Field Generators in food processing. 18th National Congress on Food Technology, Oct 2008. Mashhad, Iran.

14-  Pourzaki, A., Mirzaee, H., New High Voltage Pulse Generators. Recent Patents on Electric Engineering, Bentham Science Publishers Ltd, 2009. 2: p. 65-76.

15-  Schroeder, S., Buckow, R., Knoerzer, K., Numerical simulation of pulsed electric field (PEF) processing for chamber design and optimization. 17th International Conference on CFD in the Minerads and Process Industries CSIRO, 2009. Australia.

16-  Asavasanti, S., Ristenpart, W., Stroeve, P., Barrett, D.M., Permeabilization of Plant Tissue by Monopolar Pulsed Electric Field: Effect of Frequency. Journal of Food Science, 2011. 76.

17-  Andrade, D.F., et al, Assessment of different measurement methods using H-NMR data for the analysis of the transesterification of vagetable oils. American oil Chemist's Society, 2012. 89(7): p. 619-630.

18-  Vicente, G., et al., Kinetics of sunflower oil methanolysis. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005. 44(15): p. 5447-5454.

 

 



1- استادیار مهندسی شیمی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران. *(مسوول مکاتبات)

2-کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران.

1- Assistant Professor, Department of Chemical Engineering, Guilan University, Rasht, Iran.* (Corresponding Author)

2- MSc, Department of Chemical Engineering, Guilan University, Rasht, Iran.

1- Injector

2- G. Chavanne

3- University of Brussels (Belgium)

4- Patent 422,877

5- Daimler Chrysler

6- Counter current (or percolation) extractor

7- Screw press extractor

1- Zakaria R. and Harvey A.

1-Stirrer

1-     Ghobadian, B., Khatami Far, M., 2006, Biodiesel production from edible oil residue, 2nd national conference of agricultural waste material, Tehran, Iran. (In Persian).

2-   Fayazi, I., 2013, Biodiesel production using ultrasonic method, M.Sc. in agricultural machinery, Tarbiat Modares University, Faculty of Agricultural Machinery, Page 7. (In Persian).

3-     Demirbas, A., Biodiesel fuels from vegetable oils via catalytic and non-catalytic supercritical alcohol transesterifications and othe r methods: a survey. Energy conversion and management, 2003. 44: p.2093-2109.

4-     Krawczyk, T., Biodiesel-alternative fuel makes inroads but hurdles remain. Inform, 1996. 7(8): p. 801-829.

5-     Canakci, M. and J.H. Van Gerpen, Comparison of engine performance and emissions for petroleum diesel fuel, yellow grease biodiesel, and soybean oil biodiesel. Transactions of the ASAE, 2003. 46(4): p. 937-944.

6-     Al-Widyan, M. I. and Al-Shyoukh, A. O., Experimental evaluation of the transesterification of waste palm oil into biodiesel. Bioresource technology, 2002. 85: 253-256.

7-   Nazari, A. 2009, Determination of fuel properties of rapeseed oil as biodiesel, M.Sc. in agricultural machinery, Ferdowsi University of Mashhad, Faculty of Agricultural Machinery, Page 17. (In Persian)

8-     Ma, F. & Hanna, M. A., Biodiesel Production: a Review. Bio Resource Technology, 1999. 70: p. 1-15.

9-     House, W., Twenty in Ten: Strengthening America's Energy Security. Fact Sheet. Washington, DC: White House Office of Communications, January, 2007. 23.

10-  Kemp, W.H., Biodiesel, basics and beyond: A comprehensive guide to production and use for the home and farm. 2006: Aztext Pr.

11-  Zakaria, R. and A.P. Harvey, Direct production of biodiesel from rapeseed by reactive extraction/in situ transesterification. Fuel Processing Technology, 2012. 102: p. 53-60.

12-  Harrington, K.J. and C. D’Arcy-Evans, A comparison of conventional and in situ methods of transesterification of seed oil from a series of sunflower cultivars. Journal of the American Oil Chemists Society, 1985. 62(6): p. 1009-1013.

13-  Pourzaki, A., Mirzaee, H., Pulsed Electric Field Generators in food processing. 18th National Congress on Food Technology, Oct 2008. Mashhad, Iran.

14-  Pourzaki, A., Mirzaee, H., New High Voltage Pulse Generators. Recent Patents on Electric Engineering, Bentham Science Publishers Ltd, 2009. 2: p. 65-76.

15-  Schroeder, S., Buckow, R., Knoerzer, K., Numerical simulation of pulsed electric field (PEF) processing for chamber design and optimization. 17th International Conference on CFD in the Minerads and Process Industries CSIRO, 2009. Australia.

16-  Asavasanti, S., Ristenpart, W., Stroeve, P., Barrett, D.M., Permeabilization of Plant Tissue by Monopolar Pulsed Electric Field: Effect of Frequency. Journal of Food Science, 2011. 76.

17-  Andrade, D.F., et al, Assessment of different measurement methods using H-NMR data for the analysis of the transesterification of vagetable oils. American oil Chemist's Society, 2012. 89(7): p. 619-630.

18-  Vicente, G., et al., Kinetics of sunflower oil methanolysis. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005. 44(15): p. 5447-5454.