OTRZYMYWANIE BIODIESLA W PROCESIE TRANSESTRYFIKACJI OLEJU ROŚLINNEGO

Transkrypt

1 OTRZYMYWANIE BIODIESLA W PROCESIE TRANSESTRYFIKACJI OLEJU ROŚLINNEGO CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie procesu zasadowej transestryfikacji oleju roślinnego, wstępne oczyszczenie uzyskanych produktów oraz wyznaczenie zależności wydajności otrzymywania Biodiesla (estrów metylowych kwasów tłuszczowych) od temperatury reakcji. PROCES TRANESTRYFIKACJI OLEJU RZEPAKOWEGO Olej roślinny (np. rzepakowy) po odpowiednim przetworzeniu może być wykorzystany jako alternatywne paliwo odnawialne do silników Diesla. Bezpośrednie zastosowanie takiego oleju jako paliwa napędowego jest utrudnione głównie z powodu zbyt dużej lepkości, która dla oleju rzepakowego jest około 10-krotnie wyższa od lepkości oleju napędowego pochodzenia naftowego. Dlatego przed zastosowaniem jako paliwo silnikowe oleje roślinne należy odpowiednio zmodyfikować (a przede wszystkim obniżyć ich lepkość). Metody obniżania lepkości oleju roślinnego: 1. ROZCIEŃCZANIE konwencjonalnym paliwem diesla; 2. MIKROEMULGOWANIE z małocząsteczkowymi alkoholami (np. metanol, etanol) w obecności jonowego lub niejonowego emulgatora; 3. PIROLIZA LUB KRAKING, a następnie wydzielenie odpowiedniej frakcji w procesie destylacji; 4. PROCES TRANESTRYFIKACJI (inaczej alkoholizę) małocząsteczkowymi alkoholami (tj. metanol, etanol, butanol) w obecności katalizatora (najczęściej alkalicznego: KOH, NaOH, CaO) Głównym składnikiem oleju rzepakowego są trójglicerydy (triacyloglicerole) czyli estry gliceryny i kwasów tłuszczowych o różnej długości łańcucha węglowego (najczęściej C 18 C 22 ). Z innych komponentów można wymienić: fosfolipidy (1-2%), wolne kwasy tłuszczowe (1-2%) oraz inne składniki niezmydlające, jak sterole i witaminy (ok. 0,5-1%). Reakcja transestryfikacji polega na wymianie gliceryny związanej chemicznie w cząsteczce triacyloglicerolu (TAG) na alkohol metylowy lub etylowy dodany w obecności odpowiedniego katalizatora (Rys.1). Głównym produktem reakcji transestryfikacji oleju rzepakowego są estry kwasów tłuszczowych (najczęściej metylowe) czyli tzw. REM - Rzepakowe Estry Metylowe (ang. FAME Fatty Acid Methyl Ester). Są one naturalnym, nieszkodliwym dla środowiska paliwem do silników Diesl a, które może być mieszane w dowolnych proporcjach z olejem napędowym pochodzenia naftowego. 1

2 Rysunek 1. Schemat reakcji transestryfikacji Mieszanki biodiesla z konwencjonalnym olejem napędowym określa się następująco: B5 (5% bidiesla), B10 (10%biodiesla), B20 (20% biodiesla), B100 (czyste paliwo pochodzenia roślinnego). Najbardziej efektywna energetycznie mieszanka zawiera: 15-30% biopaliwa i 85-70% oleju napędowego z ropy naftowej. Produktem ubocznym transestryfikacji są mydła i gliceryna, która po zatężeniu może być sprzedawana jako gliceryna techniczna (roztwór 80%) stosowana m. in. w przemyśle celulozowym, spożywczym, kosmetycznym i farmaceutycznym, a także w syntezie barwnikówm nitrogliceryny oraz dynamitu. Z czynników mających znaczący wpływna właściwości biodiesla powstającego w procesie transestryfikacji olejów roślinnych można wymienić: skład chemiczny i stopień oczyszczenia surowca (oleju roślinnego), rodzaj zastosowanego alkoholu, rodzaj katalizatora, warunki procesu (tj. temperatura, czas, stosunek molowy alkohol/olej). MATERIAŁY I METODY ODCZYNNIKI Olej roślinny (np. rzepakowy) Metanol Wodorotlenek potasu Środek suszący (np. CuSO 4, Na 2 SO 4, SilicaGel) WYMAGANE ŚRODKI BEZPIECZEŃSTWA Okulary ochronne przynieść na zajęcia! Rękawiczki lateksowe MATERIAŁY i APARATURA Reaktor szklany z płaszczem wodnym Mieszadło magnetyczne Termostat z łaźnią wodną Zestaw do filtracji grawitacyjnej lub próżniowej Rozdzielacz szklany 500 ml Zestaw zlewek Cylindry miarowe (100, 250, 500 ml) Kolby stożkowe 500 ml Bibuła filtracyjna Papierek wskaźnikowy 2

3 WYKONANIE DOŚWIADCZENIA 1. Przygotowanie zasadowego katalizatora procesu transestryfikacji, czyli metanolanu potasu (CH 3 OK) przygotowuje prowadzący ćwiczenie: 56 g KOH rozpuścić i dopełnić do objętości 1L w CH 3 OH => 1 M roztwór CH 3 OK 2. I etap transestryfikacji oleju roślinnego: Odważyć 200 g oleju roślinnego, zmierzyć jego objętość w cylindrze miarowym, a następnie przelać do termostatowanego reaktora szklanego umieszczonego na mieszadle magnetycznym i zamknąć korkiem; Olej należy preinkubować w zadanej temperaturze (40, 50, lub 60 C) przez min, a następnie dodać 30 ml 1 M roztworu metanolanu potasu (CH 3 OK); Reakcję prowadzić przez 30 min przy intensywnym mieszaniu; Po upływie tego czasu przelać mieszaninę reakcyjną do zlewki, a w następnej kolejności do rozdzielacza i pozostawić do momentu wydzielenia się dwóch frakcji: Górnej warstwa estrów metylowych kwasów tłuszczowych Dolnej warstwa metanolowo-glicerynowa Po rozdzieleniu się tych dwóch warstw, dolną zlać do uprzednio zważonej zlewki, zważyć ponownie i wyznaczyć masę frakcji glicerynowej, a następnie przelać do cylindra miarowego i zmierzyć jej objętość; Dla górnej frakcji analogicznie wyznaczyć masę i objętość, a następnie uzyskany roztwór wykorzystać jako substrat w drugim etapie transestryfikacji. 3. II etap transestryfikacji oleju roślinnego: Mieszaninę estrów metylowych uzyskaną w I etapie transestryfikacji (frakcja górna) ponownie wprowadzić do termostatowanego reaktora i preinkubować w zadanej temperaturze przez min; Po upływie tego czasu do mieszaniny reakcyjnej dodać 10 ml 1 M roztworu CH 3 OK; Reakcję prowadzić przez 15 min przy intensywnym mieszaniu; Po upływie tego czasu przelać mieszaninę reakcyjną do zlewki, a w następnej kolejności ponownie do rozdzielacza i analogicznie do I etapu transestryfikacji pozostawić do momentu wydzielenia się dwóch warstw: Górnej frakcja estrów metylowych kwasów tłuszczowych Dolnej frakcja metanolowo-glicerynowa 3

4 Po rozdzieleniu się tych dwóch warstw, dolną zlać do uprzednio zważonej zlewki, zważyć ponownie i wyznaczyć jej masę, a następnie przelać do cylindra miarowego i zmierzyć również jej objętość; Dla górnej frakcji analogicznie wyznaczyć masę i objętość, a następnie uzyskany roztwór poddać procesowi wstępnego oczyszczania. 4. Wstępne oczyszczanie estrów metylowych kwasów tłuszczowych uzyskanych w wyniku metanolizy oleju roślinnego: W pierwszej kolejności do kolbę stożkowej zawierającej frakcję olejową wprowadzić 50 ml 1% wodnego roztworu H 2 SO 4 ; Szczelnie zamkniętą mieszać energicznie przez ok. 5 min, a następnie przelać do rozdzielacza i po rozseparowaniu obu warstw, zlać dolną, wodną frakcję do zlewki; Następnie analogicznie do powyższego opisu przemywać frakcję olejową pojedynczymi porcjami czystej wody (po 50 ml), aż do otrzymanaia ph neutralnego; UWAGA! Pamiętać o intensywnym mieszaniu frakcji olejowej z wodą, a następnie o sprawdzeniu papierkiem wskaźnikowym odczynu ph we frakcji wodnej zlewanej z rozdzielacza; Wszystkie uzyskane frakcje wodne połączyć i zmierzyć ich sumaryczną objętość; Następnie wyznaczyć całkowitą masę produktów ubocznych przyjmując d = 1,0 g/ml; Frakcję olejową doprowadzoną do ph neutralnego przelać do kolby stożkowej, do której dodawać porcjami środek suszący (np. MgSO 4 ) z jednoczesnym mieszaniem zawiesiny; Środek suszący dodawać do momentu zaobserwowania braku zbrylania się tego środka; Dla pewności dodać jeszcze jedną porcję środka suszącego, celem upewnienia się, że z frakcji olejowej pozbyto się całkowitej ilości wody; Odwodnione estry metylowe przesączyć grawitacyjnie do uprzednio zważonej zlewki i wyznaczyć końcową masę tak otrzymanego biopaliwa, jego objętość oraz zmierzyć gęstość jego gęstość. Uzyskany produkt pozostawić do kolejnych ćwiczeń (wyznaczenie właściwości fizykochemicznych). OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Narysować schemat wytwarzania produktów tranestryfikacji oleju rzepakowego w warunkach laboratoryjnych. 2. Na podstawie wyników całej grupy wyznaczyć wydajność otrzymywania produktu końcowego oraz wyznaczyć zależność tej wydajności od temperatury reakcji transestryfikacji. 4

5 3. W sprawozdaniu opisać przemysłowy proces otrzymywania FAME (estrów metylowych kwasów tłuszczowych) z olejów roślinnych w tym: Praktyczne zastosowanie biodiesla Surowce wykorzystywane do produkcji estrów metylowych kwasów tłuszczowych Graficzny schemat technologiczny przemysłowego procesu otrzymywania biodiesla Metody oczyszczania surowego produktu Przedstawić zalety stosowania biodiesla (aspekt ekonomiczny, ochrona środowiska i inne) Przedstawić problemy/ograniczenia związane z zastosowaniem biodiesla Wymienić 2 firmy produkujące biodiesel w ilościach przemysłowych ZAGADNIENIA DO KARTKÓWKI: 1. Rodzaje biokomponentów i biopaliw w postaci ciekłej lub gazowej (bioetanol, biowodór, biogaz, węglowodory syntetyczne itp.). 2. Metody obniżania lepkości olejów roślinnych przed ich zastosowaniem jako biopaliwo. 3. Schemat reakcji transestryfikacji olejów roślinnych. 4. Czynniki wpływające na właściwości biodiesla powstającego w procesie transestryfikacji olejów roślinnych (wymienić i krótko opisać wpływ każdego z nich). LITERATURA: 1. Burczyk B., Biomasa. Surowiec do syntez chemicznych i produkcji paliw, Oficyna Wyd. PWr, Wrocław 2011; 2. Lewandowski W.M., Ryms M., Biopaliwa : proekologiczne odnawialne źródła energii, Wyd. WNT, Warszawa 2013; 3. Gryglewicz S., Rapeseed oil methyl esters preparation using heterogenous catalysts, Bioresource Technology, 70 (1999), Vicente G., Martinez M., Aracil J., Integrated biodiesel production: a comparison of different homogenous catalysts system, Bioresource Technology, ),