آزمایش شماره ۱: تولید بیودیزل از روغن‌های خوراکی

۱- هدف

آشنایی با طرزکار دستگاه التراسونیک پروبی

مقایسه عملکرد دستگاه التراسونیک پروبی در مقایسه با دستگاه همزن مغناطیسی

آشنایی با تأثیر انرژی امواج مافوق صوت در تسریع واکنش­

۲- مقدمه

بیودیزل یک سوخت جایگزین مهم است که به‌عنوان یک سوخت طبیعی تجدیدپذیر مطرح است. این ماده غیر سمی بوده، دارای روان کنندگی و نقطه اشتعال بالایی است و مقدار زیادی اکسیژن دارد. ثابت شده است که میزان انتشار ذرات معلق جامد حاصل از بیودیزل بسیار کم است و تأثیر بسیار ناچیزی بر میزان CO₂ موجود در اتمسفر دارد. بیودیزل از منابع زیستی تجدیدپذیر مانند روغن‌­های گیاهی انواع دانه­‌های روغنی به دست می­‌آید و به همین دلیل به‌راحتی تجزیه می­‌شود. تولید بیودیزل به روش‌­های مرسوم و عادی بسیار پرهزینه و نیازمند زمان فرایند طولانی مدت است. از این‌رو تلاش می­‌شود تا با استفاده از روش‌­ها و فناوری­‌های جدید این مشکلات برطرف گردد و هزینه تمام شده تولید بیودیزل کاهش یابد.

یکی از فناوری­‌های پیشنهادی برای تولید بیودیزل در زمان­‌های کوتاه‌­تر استفاده از انرژی امواج مافوق صوت است. به این ترتیب زمان و بازدهی فرایند به‌صورت محسوس و چشمگیری کاهش می‌­یابند. این آزمایش به شما نشان می‌­دهد که امواج مافوق صوت تا چه حد می­‌توانند بر افزایش سرعت واکنش­‌های شیمیایی و تسهیل شرایط پیشرفت آن‌ها کمک نمایند.

۳- روش کار آزمایش

۱-۳- مواد و تجهیزات مورد نیاز

مواد مورد نیاز در این آزمایش عبارت‌اند از:

• روغن مایع خوراکی (400 میلی‌لیتر)،
• محلول NaOH با غلظت 1 گرم بر لیتر،
• متانول 99%

تجهیزات مورد نیاز در این آزمایش عبارت‌اند از:

• دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک،
• همزن مغناطیسی با گرم‌کن،
• دکانتور

۲-۳- شرایط و نکات ایمنی

در هنگام تولید محلول NaOH باید توجه داشت که واکنش انحلال NaOH به‌شدت گرمازا است و تنفس بخار حاصل از گرم شدن محلول می­‌تواند باعث بروز مشکلات تنفسی گردد. به همین منظور برای تولید این محلول از هود استفاده نمایید.

قبل از شروع به آزمایش حتما برگه‌های MSDS مواد مورد استفاده را مطالعه نمایید.

۳-۳- روش انجام آزمایش

آزمایش الف: تولید بیودیزل با استفاده از همزن مفناطیسی

ابتدا 200 میلی‌لیتر از روغن مایع خوراکی را داخل یک بشر با حجم 400 میلی‌لیتر بریزید. سپس 7 میلی‌لیتر از محلول سود را در 30 میلی‌لیتر اتانول بریزید و آن را به هم بزنید تا محلول یکنواخت و همگن شود. محلول آماده شده را به ظرف حاوی روغن مایع خوراکی اضافه نمایید.

ظرف محتوی مواد را بر روی همزن مغناطیسی قرار دهید و آن را تا دمای 60 درجه سانتی­گراد گرم نمایید. سپس با سرعت 5000 دور در دقیقه محلول را به هم بزنید. این کار را به مدت 3 ساعت ادامه دهید. پس از زمان یاد شده محلول را در جدا کننده (دکانتور) ریخته و منتظر بمانید مواد از یکدیگر جدا شوند. با باز کردن شیر دکانتور مایع موجود در پایین ظرف را تخلیه نمایید و سپس مایع موجود در بالا (مایه شماره ۲ در شکل 1) را در ظرفی جداگانه بریزید. این مایع بیودیزل است.

شکل۱) قیف جداکننده (دکانتور)

آزمایش ب: تولید بیودیزل با استفاده از هموژنایزر اولتراسونیک

ابتدا 200 میلی‌لیتر از روغن مایع خوراکی را داخل یک بشر با حجم 400 میلی‌لیتر بریزید. سپس 7 میلی‌لیتر از محلول سود را در 30 میلی‌لیتر اتانول بریزید و آن را به هم بزنید تا محلول یکنواخت و همگن شود. محلول آماده شده را به ظرف حاوی روغن مایع خوراکی اضافه نمایید.

ظرف محتوی مواد را در زیر پراب دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک (شکل 2) قرار دهید به‌طوری که 2 تا 3 سانتی­متر از نوک پراب در داخل محلول قرار گیرد. سپس مقادیر زمان پالس روشن و خاموش را به ترتیب 15 و 5 ثانیه تنظیم نمایید. زمان کل فرایند را نیز در مقدار 20 دقیقه تنظیم کنید. درصد توان خروجی دستگاه را روی مقدار 75% قرار دهید و دستگاه را روشن نمایید. پس از اتمام زمان واکنش مراحل جداسازی را مطابق آنچه در آزمایش شماره 1 گفته شده بود انجام دهید.

شکل۲) دستگاه اولتراسونیک پروب دار

۴- پرسش و پاسخ

• پرسش ۱: دمای ظرف محلول پس از انجام واکنش به کمک امواج مافوق صوت افزایش می­یابد. دلیل این امر چیست؟

پاسخ: انرژی امواج مافوق صوت به‌صورت حرارت در داخل محلول اتلاف می­‌شود، از این‌رو انتقال امواج باعث گرم شدن محلول و ظرف واکنش می­‌گردد.

• پرسش ۲: میزان بیودیزل تولید شده در آزمایش 1 بیشتر است یا آزمایش 2؟ آیا می­‌توانید دلیل این امر را به‌صورت تئوری توضیح دهید؟

پاسخ: میزان بیودیزل تولید شده در آزمایش 2 بیشتر است. دلیل این امر را می­‌توان به بروز پدیده کاویتاسیون در حین انجام واکنش درنتیجه استفاده از امواج مافوق صوت نسبت داد.

• پرسش ۳: نقش NaOH در این فرآیند چیست؟

پاسخ: محلول NaOH به‌عنوان کاتالیزور به واکنش اضافه می‌­شود و بر افزایش سرعت پیشرفت واکنش تأثیر می­گذارد. کاتالیزورها موادی هستند که در واکنش­‌های شیمیایی باعث کاهش سد انرژی فعال‌سازی برای انجام واکنش می‌­شوند و در واکنش شرکت نمی­‌کنند.

• پرسش ۴: در مورد طرح کلی واکنش‌­هایی که طی آزمایش اتفاق می‌­افتند و نوع آن‌ها تحقیق کنید.

پاسخ: واکنش تولید بیودیزل از نوع واکنش­‌های استری شدن گذرا یا transesterification است.

این واکنش‌­ها دارای طرح کلی زیر می­‌باشند.

در این واکنش‌­ها یک تری اکیل گلیسرول طی واکنش با یک الکل در حضور کاتالیزور به گلیسرول و مخلوطی از استرهای آلکیلی تبدیل می­شود.

۵- سایر آزمایش‌های مرتبط

برای بررسی محصول تولید شده در این آزمایش‌ها می‌توانید از دستگاه کروماتوگرافی گازی (GC) بهره ببرید و ترکیبات آن را مشخص نمایید.

۶- منبع

V.G. Gude, G.E. Grant, “Biodiesel from waste cooking oils via direct sonication”, Applied Energy, Vol. 109, 2013, pp. 135-144.