Bitkisel Yağlardan Ultrasonik Destekli Biyodizel Ürünlerinin Hazırlanması
Summary
Bir alkali katalizör kullanan bitkisel yağlar için güvenli bir ultrasonik destekli transesterifikasyon yöntemi burada sunulmaktadır. Yöntem, saf biyodizel ürünleri hazırlamak için hızlı ve verimlidir.
Abstract
Bitkisel yağı sürdürülebilir bir hammadde olarak kullanan bu çalışma, biyodizel sentezi için ultrasonik destekli transesterifikasyona yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Bu alkali katalizli prosedür, ultrasonu güçlü bir enerji girişi olarak kullanır ve sızma zeytinyağının biyodizele hızlı bir şekilde dönüştürülmesini kolaylaştırır. Bu gösteride, reaksiyon, 15 dakika boyunca ortam koşulları altında ultrasonik bir banyoda çalıştırılır ve 1: 6 molar sızma zeytinyağı / metanol oranı ve katalizör olarak minimum miktarda KOH gerektirir. Biyodizelin fizyokimyasal özellikleri de rapor edilmiştir. Ultrasonik destekli transesterifikasyonun dikkate değer avantajlarını vurgulayan bu yöntem, reaksiyon ve ayırma sürelerinde kayda değer azalmalar, mükemmele yakın saflık (~% 100), yüksek verim ve ihmal edilebilir atık oluşumu sağlar. Daha da önemlisi, bu faydalar güvenlik ve çevresel sürdürülebilirliği ön planda tutan bir çerçeve içinde elde edilir. Bu zorlayıcı bulgular, bu yaklaşımın bitkisel yağın biyodizele dönüştürülmesindeki etkinliğinin altını çizmekte ve onu hem araştırma hem de pratik uygulamalar için uygun bir seçenek olarak konumlandırmaktadır.
Introduction
Yaygın, bitki bazlı sıvı ve katı yağlardan elde edilen biyodizel, petrole olan bağımlılığı azaltmak için sürdürülebilir bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır1. Bu yenilenebilir ikame, sürdürülebilir kaynaklara dayanırken, başta karbondioksit olmak üzere azaltılmış sera gazı emisyonlarını sergiliyor. Ayrıca biyodizel, kükürt içermeyen bileşimi, toksik olmayan yapısı ve biyolojik olarak parçalanabilirliği ile karakterize edilen petrol dizeline göre belirgin avantajlar sunar. Konvansiyonel fosil yakıtlara bir alternatif olarak biyodizel, yenilenemeyen fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltarak ve iklim değişikliğinin olumsuz etkilerini hafifleterek Birleşmiş Milletler’in (BM) Net Sıfır politikasıyla uyumludur. Biyodizel, mevcut enerji ihtiyaçlarını karşılamak için umut verici bir yol sunarak onu daha yeşil bir gelecek için güçlü bir seçim haline getiriyor2.
Biyodizel üretimi için kullanılan baskın yöntem, sıvı ve katı yağlarda bulunan trigliseritlerin, yüksek sıcaklık koşulları 1,2,3,4 altında bir katalizör varlığında bir alkol, tipik olarak metanol veya etanol ile reaksiyona girdiği kimyasal bir işlem olan transesterifikasyonu içerir. Bu reaksiyon, biyodizelin temel bileşeni olan yağ asidi alkil esterlerini verir. Hem yenilebilir5 (örneğin, sızma zeytinyağı ve mısır yağı) hem de yemeklik olmayan yağlar 6,7,8 (örneğin, kapari tohumu yağı) ve atık yağlar9 dahil olmak üzere çeşitli bitkisel yağ türleri biyodizel üretimi için birincil hammadde görevi görür. Metanol, nispeten ucuz bir alkol olduğu için bu transesterifikasyon işlemi için en yaygın olarak kullanılır. Ek olarak, transesterifikasyon sürecini hızlandırmak için sülfürik asit, fosforik asit, potasyum hidroksit, sodyum hidroksit veya lipaz gibi enzimler gibi bir dizi katalizörkullanılabilir 1,2,3,4. Geleneksel olarak, reaksiyon karışımı uzun süreler, tipik olarak 30 dakika veya daha uzun süre geri akış altında ısıtılır. Isıtma, ultrasonikasyon kadar enerji verimli değildir ve aynı zamanda güvenlik riskleri oluşturur5. Sonuç olarak, daha güvenli, daha hızlı ve daha enerji verimli bir transesterifikasyon sürecine ihtiyaç vardır.
Ultrason ışınlaması, öncelikle akustik kavitasyon olgusu nedeniyle, ısı, ışık ve elektrik gibi geleneksel enerji kaynaklarına üstün bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır10. Kabarcıkların oluşumu, genişlemesi ve şiddetli çöküşü ile karakterize edilen bu fenomen, yaklaşık 5000 K’ye ulaşan sıcaklıklara ve 1000 atm basınca sahip lokalize sıcak noktalar oluşturur. Bu tür aşırı koşullar, hızlı ısıtma ve soğutma hızlarıyla (1010 K/s’nin üzerinde) birleştiğinde, daha önce geleneksel yollarla ulaşılamaz olarak kabul edilenler de dahil olmak üzere, oda sıcaklığında çok çeşitli kimyasal reaksiyonların verimli bir şekilde gerçekleşmesi için gerekli enerjiyi sağlar10. Ultrasonik destekli sentez, çeşitli araştırma alanlarında hızla zemin kazanmaktadır. Özellikle, organik sentez ve katı hal malzemelerinde ultrasonik destekli senteze olan ilgi, çevre dostu doğası, enerji verimliliği ve ortam koşulları altında kısaltılmış reaksiyon süreleritarafından yönlendirilmektedir 5,11,12,13,14,15,16 . Burada, kısa bir zaman dilimi içinde saf biyodizel ürünleri veren bir alkali katalizör kullanarak bitkisel yağların güvenli ultrasonik destekli transesterifikasyonu için hızlı ve etkili bir teknik tanıtılmaktadır. Sızma zeytinyağı bu çalışmada gösteri ortamı olarak hizmet ederken, ultrasonik yöntemin bir dizi bitkisel yağauygulanabilirliğe sahip olduğuna dikkat etmek zorunludur 5,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu gösteride, optimal etkinlik için baz katalizli biyodizel üretiminin ultrasonik destekli bir yöntemi açıklanmıştır. En iyi sonuçlar için, santrifüj tüpü su ile dolu bir beher içine yerleştirilmeli ve daha sonra beher ultrasonik banyonun içine yerleştirilmelidir. Bu daldırılmış konfigürasyon, reaksiyon karışımının ultrasonik işleme tam olarak maruz kalmasını garanti eder ve etkinliğini en üst düzeye çıkarır. İstenirse, ultrasonik banyonun içindeki beheri değiştirmek için bir san…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Çalışma, Author YL’nin başlangıç fonu ve California Eyalet Üniversitesi, Sacramento’daki Pedagoji Geliştirme Ödülü (PEA) tarafından desteklendi.
Materials
| Chloroform-d | Fisher Scientific | 865-49-6 | • Harmful if swallowed. • Causes skin irritation. • Causes serious eye irritation. • Toxic if inhaled. • Suspected of causing cancer. • Suspected of damaging fertility or the unborn child. • Causes damage to organs through prolonged or repeated exposure |
| Heated Ultrasonic Baths, Digital, Branson Ultrasonic | Branson | 89375-492 | |
| Methanol | Fisher Scientific Company | 67-56-1 | Highly flammable liquid and vapor. Toxic if swallowed, in contact with skin or if inhaled. Causes damage to organs (Eyes). |
| Potassium hydroxide | Fisher Scientific Company | 1310-58-3 | May be corrosive to metals. Harmful if swallowed. Causes severe skin burns and eye damage. Causes serious eye damage |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | Not hazardous |
| Vegetable oils | A commonly consumed food with a long history of safe use in pesticides. |
References
- Mishra, V. K., Goswami, R. A review of production, properties and advantages of biodiesel. Biofuels. 9 (2), 273-289 (2018).
- Talha, N. S., Sulaiman, S. Overview of catalysts in biodiesel production. ARPN J Eng Appl Sci. 11 (1), 439-442 (2016).
- Kalita, P., Basumatary, B., Saikia, P., Das, B., Basumatary, S. Biodiesel as renewable biofuel produced via enzyme-based catalyzed transesterification. Ener Nex. 6, 100087 (2022).
- Norjannah, B., Ong, H. C., Masjuki, H. H., Juan, J. C., Chong, W. T. Enzymatic transesterification for biodiesel production: A comprehensive review. RSC Adv. 6 (65), 60034-60055 (2016).
- Wang, X., Chrzanowski, M., Liu, Y. Ultrasonic-assisted transesterification: A green miniscale organic laboratory experiment. J Chem Edu. 97 (4), 1123-1127 (2020).
- Duarte, M. P., Hamilton, A., Naccache, R. . Biomass to bioenergy. , (2024).
- Munir, M., et al. Biodiesel production from novel non-edible caper (Capparis L.) seeds oil employing Cu-Ni doped ZrO2 catalyst. Renew Sus Ener Rev. 138, 110558 (2021).
- Munir, M., et al. Cleaner production of biodiesel from novel non-edible seed oil (Carthamus lanatus L.) via highly reactive and recyclable green nano CoWO3@rGO composite in context of green energy adaptation. Fuel. 332, 126265 (2023).
- Rocha-Meneses, L., et al. Recent advances on biodiesel production from waste cooking oil (WCO): A review of reactors, catalysts, and optimization techniques impacting the production. Fuel. 348, 128514 (2023).
- Suslick, K. S., Nyborg, W. L. Ultrasound: Its chemical, physical and biological effects. J Acoust Soc Am. 87, 919-920 (1990).
- Afreen, S., Muthoosamy, K., Manickam, S. Sono-nano chemistry: A new era of synthesising polyhydroxylated carbon nanomaterials with hydroxyl groups and their industrial aspects. Ultrason Sonochem. 51, 451-461 (2019).
- Babu, S. G., Neppolian, B., Ashokkumar, M. Ultrasound-assisted synthesis of nanoparticles for energy and environmental applications. Handbook Ultrason Sonochem. 2, 1-34 (2015).
- Banerjee, B. Recent developments on ultrasound assisted catalyst-free organic synthesis. Ultrason Sonochem. 35, 1-14 (2017).
- Bang, J. H., Suslick, K. S. Applications of ultrasound to the synthesis of nanostructured materials. Adv Mater. 22 (10), 1039-1059 (2010).
- Kaur, N. Ultrasound-assisted green synthesis of five-membered O- and S-heterocycles. Syn Comm. 48 (14), 1715-1738 (2018).
- Liu, Y., Myers, E. J., Rydahl, S. A., Wang, X. Ultrasonic-assisted synthesis, characterization, and application of a metal-organic framework: A green general chemistry laboratory project. J Chem Edu. 96 (10), 2286-2291 (2019).
- Tan, S. X., Lim, S., Ong, H. C., Pang, Y. L. State of the art review on development of ultrasound-assisted catalytic transesterification process for biodiesel production. Fuel. 235, 886-907 (2019).
- Mahamuni, N. N., Adewuyi, Y. G. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) method to monitor soy biodiesel and soybean oil in transesterification reactions, petrodiesel− biodiesel blends, and blend adulteration with soy oil. Ener Fuels. 23 (7), 3773-3782 (2009).
- Castejón, D., Fricke, P., Cambero, M. I., Herrera, A. Automatic 1H-NMR screening of fatty acid composition in edible oils. Nutrients. 8 (2), 93 (2016).
- Doudin, K. I. Quantitative and qualitative analysis of biodiesel by NMR spectroscopic methods. Fuel. 284, 119114 (2021).
- Prat, D., et al. Chem21 selection guide of classical-and less classical-solvents. Green Chem. 18 (1), 288-296 (2016).
- Ameen, M., et al. Prospects of catalysis for process sustainability of eco-green biodiesel synthesis via transesterification: A state-of-the-art review. Sustainability. 14 (12), 7032 (2022).
- Malek, M. N. F. A., et al. Ultrasonication: A process intensification tool for methyl ester synthesis: A mini review. Biomass Conv Bioref. 13, 1457-1467 (2023).
