الديزل الحيوي عبر الأسترة والأسترة التبادلية المحسّنتين بالموجات فوق الصوتية
يُصنَّع الديزل الحيوي عبر الأسترة التبادلية باستخدام محفّز قاعدي. ومع ذلك، عند استخدام مواد خام مثل زيوت نباتية مستعملة منخفضة الجودة ذات محتوى مرتفع من الأحماض الدهنية الحرة، يلزم إجراء خطوة معالجة كيميائية مسبقة بالأسترة باستخدام محفّز حمضي. تسهم المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتأثيراتها الكيميائية والميكانيكية الصوتية في كلا نوعَي التفاعل، وتزيد كفاءة التحويل إلى الديزل الحيوي زيادة كبيرة. ويكون إنتاج الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية أسرع بكثير من تصنيعه بالطريقة التقليدية، ويؤدي إلى مردود أعلى وجودة أفضل للديزل الحيوي، ويوفّر الكواشف مثل الميثانول والمحفّز.
التحويل إلى الديزل الحيوي باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة
لإنتاج الديزل الحيوي، تُنتَج إسترات الأحماض الدهنية بالأسترة التبادلية للزيوت النباتية وكذلك للدهون الحيوانية (مثل الشحم الحيواني). وخلال تفاعل الأسترة التبادلية، يُستبدَل مكوّن الغليسرول بكحول آخر، مثل الميثانول. وتتطلب المواد الأولية ذات المحتوى المرتفع من الأحماض الدهنية الحرة، مثل الزيوت النباتية المستعملة (WVO)، معالجة مسبقة بالأسترة الحمضية لتجنّب تكوّن الصابون. وتكون عملية التحفيز الحمضي هذه تفاعلًا بطيئًا جدًا عند إجرائها بالطريقة التقليدية على دفعات. ويتمثل الحل لتسريع عملية الأسترة البطيئة في تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة. وتحقق المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسنًا كبيرًا في سرعة التفاعل والتحويل ومردود الديزل الحيوي، إذ تعزّز التأثيرات الكيميائية الصوتية للموجات فوق الصوتية عالية القدرة التحفيز الحمضي وتكثّفه. ويوفّر التجويف بالموجات فوق الصوتية قوى ميكانيكية صوتية، أي الخلط بقوى قص عالية، بالإضافة إلى طاقة كيميائية صوتية. ويحوّل هذان النوعان من التأثير فوق الصوتي (الميكانيكي الصوتي والكيميائي الصوتي) الأسترة المحفَّزة حمضيًا إلى تفاعل سريع يتطلب كمية أقل من المحفّز.
يحسّن الخلط بالموجات فوق الصوتية معدل التحويل إلى الديزل الحيوي، ويزيد المردود، ويوفّر الميثانول الزائد والمحفّز. تُظهر الصورة تركيب 3x UIP1000hdT (بقدرة موجات فوق صوتية تبلغ 1kW لكل جهاز) للمعالجة ضمن خط الإنتاج.
كيف يعمل التحويل إلى الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية؟
تستند المعالجة بالموجات فوق الصوتية بين الأطوار المختلفة في الأسترة التبادلية (التي تُسمّى أحيانًا أيضًا التحلّل بالكحول) والأسترة إلى تعزيز الخلط وزيادة انتقال الحرارة والكتلة. ويستند الخلط بالموجات فوق الصوتية إلى مبدأ التجويف الصوتي، الذي يحدث نتيجة الانهيار الداخلي لفقاعات الفراغ في السائل. ويتميّز التجويف الصوتي بقوى قص عالية واضطرابات، بالإضافة إلى فروق مرتفعة جدًا في الضغط ودرجة الحرارة. وتعزّز هذه القوى التفاعل الكيميائي للأسترة التبادلية / الأسترة وتكثّف انتقال الكتلة والحرارة، مما يحسّن تفاعل التحويل إلى الديزل الحيوي تحسنًا كبيرًا.
تؤدي الأسترة التبادلية للدهون الثلاثية إلى الديزل الحيوي (FAME) باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى تسريع التفاعل وتحقيق كفاءة أعلى بكثير.
ثبت علميًا وصناعيًا أن تطبيق الموجات فوق الصوتية أثناء التحويل إلى الديزل الحيوي يحسّن كفاءة العملية. ويمكن إرجاع هذا التحسن في كفاءة العملية إلى انخفاض استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل، وتقليل استخدام الكحول (أي الميثانول)، واستخدام كمية أقل من المحفّز، وتقصير زمن التفاعل بدرجة كبيرة. وتُلغى تكاليف الطاقة اللازمة للتسخين لعدم الحاجة إلى تسخين خارجي. بالإضافة إلى ذلك، يصبح فصل الأطوار بين الديزل الحيوي والغليسرول أبسط، مع زمن أقصر لفصل الأطوار. ومن العوامل المهمة للاستخدام التجاري للموجات فوق الصوتية في إنتاج الديزل الحيوي سهولة توسيع نطاق الإنتاج إلى أي حجم، والتشغيل الموثوق والآمن، فضلًا عن متانة معدات الموجات فوق الصوتية وموثوقيتها (بمواصفات صناعية، وقادرة على العمل باستمرار 24/7/365 تحت الحمل الكامل).
نظام صناعي بالموجات فوق الصوتية مزوّد بخلية التدفق لأسترة الديزل الحيوي وأسترته التبادلية ضمن خط الإنتاج.
يمكن إجراء الأسترة والأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية على دفعات أو كعملية مستمرة ضمن خط الإنتاج. يوضّح المخطط عملية الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية للديزل الحيوي (FAME) ضمن خط الإنتاج.
يمكن إجراء الأسترة والأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية على دفعات أو كعملية مستمرة ضمن خط الإنتاج. يوضّح هذا المخطط عملية التحويل إلى الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية على دفعات.
التحويل إلى الديزل الحيوي على خطوتين بمساعدة الموجات فوق الصوتية باستخدام خطوات تفاعل محفَّزة حمضيًا وقاعديًا
بالنسبة إلى المواد الأولية ذات المحتوى المرتفع من الأحماض الدهنية الحرة (FFA)، يُجرى إنتاج الديزل الحيوي كتفاعل محفَّز حمضيًا أو قاعديًا في عملية من مرحلتين. تسهم الموجات فوق الصوتية في كلا نوعَي التفاعل، أي الأسترة المحفَّزة حمضيًا والأسترة التبادلية المحفَّزة قاعديًا:
الأسترة المحفَّزة حمضيًا باستخدام الموجات فوق الصوتية
لمعالجة الكميات الزائدة من الأحماض الدهنية الحرة في المواد الأولية، يلزم إجراء عملية الأسترة. ويُستخدم حمض الكبريتيك عادةً كمحفّز حمضي.
- حضّر المواد الأولية بترشيحها وتنقيتها من الملوّثات والماء.
- أذِب المحفّز، أي حمض الكبريتيك، في الميثانول. مرّر تيار المحفّز / الميثانول والمواد الأولية عبر مبادل حراري وخلاط ساكن للحصول على مزيج أولي غير متجانس تمامًا.
- ينتقل المزيج الأولي من المحفّز والمواد الأولية مباشرةً إلى حجرة التفاعل بالموجات فوق الصوتية، حيث يحدث الخلط فائق الدقة وتؤثّر الكيمياء الصوتية، وتتحوّل الأحماض الدهنية الحرة إلى ديزل حيوي.
- أخيرًا، أزِل الماء من المنتج وأدخله إلى المرحلة الثانية – الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية. ويصبح الميثانول الحمضي الرطب جاهزًا لإعادة الاستخدام بعد استرجاعه وتجفيفه وتحييده.
- بالنسبة إلى المواد الأولية ذات المحتوى المرتفع جدًا من الأحماض الدهنية الحرة (FFA)، قد يلزم استخدام منظومة لإعادة التدوير لخفض محتوى هذه الأحماض إلى مستوى معقول قبل خطوة الأسترة التبادلية.
تفاعل الأسترة باستخدام محفّز حمضي:
FFA + كحول → إستر + ماء
اقرأ المزيد عن الأسترة المحفَّزة حمضيًا للأحماض الدهنية الحرة (FFAs) والمحسّنة بالموجات فوق الصوتية!
الأسترة التبادلية المحفَّزة قاعديًا باستخدام الموجات فوق الصوتية
يمكن إدخال المواد الأولية، التي أصبحت الآن لا تحتوي إلا على كميات صغيرة من الأحماض الدهنية الحرة (FFAs)، مباشرةً إلى مرحلة الأسترة التبادلية. ويُستخدم هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم (NaOH, KOH) غالبًا كمحفّز قاعدي.
- أذِب المحفّز، أي هيدروكسيد البوتاسيوم، في الميثانول، ومرّر تيارات المحفّز / الميثانول والمواد الأولية المعالَجة مسبقًا عبر خلاط ساكن للحصول على مزيج أولي غير متجانس تمامًا.
- أدخل المزيج الأولي مباشرةً إلى حجرة التفاعل بالموجات فوق الصوتية لإجراء الخلط بقوى قص عالية الناتجة عن التجويف والمعالجة الكيميائية الصوتية. وتتمثل نواتج هذا التفاعل في إسترات الألكيل (أي الديزل الحيوي) والغليسرين. ويمكن فصل الغليسرين بالترسيب أو بالطرد المركزي.
- يتميّز الديزل الحيوي المُنتَج بالموجات فوق الصوتية بجودة عالية، ويُصنَّع بسرعة وبكفاءة في استهلاك الطاقة والتكلفة من خلال توفير الميثانول والمحفّز.
تفاعل الأسترة التبادلية باستخدام محفّز قاعدي:
زيت / دهن + كحول → ديزل حيوي + غليسرول
استخدام الميثانول واسترجاعه
الميثانول مكوّن أساسي أثناء إنتاج الديزل الحيوي. ويتيح التحويل إلى الديزل الحيوي المدفوع بالموجات فوق الصوتية تقليل استخدام الميثانول بدرجة كبيرة. إذا كنت تفكّر الآن: “لا يهمني مقدار الميثانول الذي أستخدمه، لأنني أسترجعه على أي حال”، فقد ترغب في إعادة التفكير والنظر في تكاليف الطاقة الباهظة جدًا المرتبطة بخطوة التبخير (مثلًا باستخدام عمود تقطير)، اللازمة لفصل الميثانول وإعادة تدويره.
يُزال الميثانول عادةً بعد فصل الديزل الحيوي والغليسرين إلى طبقتين، مما يمنع انعكاس التفاعل. ثم يُنقّى الميثانول ويُعاد تدويره إلى بداية العملية. ومن خلال إنتاج الديزل الحيوي بالأسترة والأسترة التبادلية المدفوعتين بالموجات فوق الصوتية، يمكنك خفض استخدام الميثانول بدرجة كبيرة، وبالتالي تقليل الإنفاق الباهظ جدًا على الطاقة اللازمة لاسترجاعه. ويقلّل استخدام مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية الكمية المطلوبة من الميثانول الزائد بنسبة تصل إلى 50%. وتكفي نسبة مولية بين 1:4 و1:4.5 (زيت : ميثانول) لمعظم المواد الأولية عند استخدام الخلط بالموجات فوق الصوتية من Hielscher.
الأسترة بالموجات فوق الصوتية خطوة معالجة مسبقة تحوّل المواد الأولية منخفضة الجودة والغنية بالأحماض الدهنية الحرة (FFAs) إلى إسترات. وفي الخطوة 2 من الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية، تتحوّل الدهون الثلاثية إلى ديزل حيوي (FAME).
زيادة كفاءة التحويل إلى الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية – مثبتة علميًا
درست مجموعات بحثية عديدة آلية الأسترة التبادلية للديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية وتأثيراتها. فعلى سبيل المثال، أثبت فريق Sebayan Darwin البحثي أن التجويف بالموجات فوق الصوتية زاد النشاط الكيميائي ومعدل التفاعل، مما أدى إلى زيادة كبيرة في تكوّن الإسترات. وقد خفّضت تقنية الموجات فوق الصوتية زمن تفاعل الأسترة التبادلية إلى 5 دقائق – مقارنةً بمدة قدرها 2 ساعة للمعالجة بالتحريك الميكانيكي. وبلغ تحويل الدهون الثلاثية (TG) إلى FAME تحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية 95.6929%wt، بنسبة مولية للميثانول إلى الزيت تبلغ 6:1، وباستخدام هيدروكسيد الصوديوم بنسبة 1%wt كمحفّز. (راجع Darwin et al. 2010)
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية متوسطة الحجم وواسعة النطاق لمعالجة الديزل الحيوي
توفّر Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية صغيرة ومتوسطة الحجم، وكذلك أجهزة صناعية واسعة النطاق لإنتاج الديزل الحيوي بكفاءة بأي حجم. ومن خلال توفير أنظمة بالموجات فوق الصوتية على أي نطاق، تستطيع Hielscher تقديم الحل المثالي لكلٍّ من المنتجين الصغار والشركات الكبيرة. ويمكن إجراء التحويل إلى الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية على دفعات أو كعملية مستمرة ضمن خط الإنتاج. ويتميّز التركيب والتشغيل بالبساطة والأمان، ويوفّران بصورة موثوقة كميات إنتاج مرتفعة من الديزل الحيوي ذي الجودة الفائقة.
ستجد أدناه الترتيبات الموصى بها للمفاعلات لمجموعة من معدلات الإنتاج.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0.25 إلى 0.5
|
80 إلى 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0.5 إلى 1.0
|
160 إلى 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0.75 إلى 1.5
|
240 إلى 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1.0 إلى 2.0
|
320 إلى 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1.5 إلى 3.0
|
480 إلى 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3.0 إلى 6.0
|
960 إلى 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4.5 إلى 9.0
|
1440 إلى 2880
|
اتصل بنا! / اسألنا!
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي.
المصادر / المراجع
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Wu, P., Yang, Y., Colucci, J.A. and Grulke, E.A. (2007): Effect of Ultrasonication on Droplet Size in Biodiesel Mixtures. J Am Oil Chem Soc, 84: 877-884.
- Kumar D., Kumar G., Poonam, Singh C. P. (2010): Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2. Ultrason Sonochem. 2010 Jun; 17(5): 839-44.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).
- Nieves-Soto, M., Oscar M. Hernández-Calderón, C. A. Guerrero-Fajardo, M. A. Sánchez-Castillo, T. Viveros-García and I. Contreras-Andrade (2012): Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Application. InTechOpen 2012.
حقائق جديرة بالمعرفة
إنتاج الديزل الحيوي
يُنتَج الديزل الحيوي عندما تتحوّل الدهون الثلاثية إلى إستر ميثيلي للأحماض الدهنية الحرة (FAME) عبر تفاعل كيميائي يُعرَف بالأسترة التبادلية. وخلال تفاعل الأسترة التبادلية، تتفاعل الدهون الثلاثية في الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية مع كحول أولي (مثل الميثانول) في وجود محفّز (مثل هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم). وفي هذا التفاعل، تتكوّن إسترات الألكيل من المواد الأولية المتمثلة في الزيت النباتي أو الدهن الحيواني. والدهون الثلاثية هي غليسريدات يكون فيها الغليسرول مؤسترًا بأحماض طويلة السلسلة تُعرَف بالأحماض الدهنية. وتوجد هذه الأحماض الدهنية بوفرة في الزيت النباتي والدهون الحيوانية. وبما أن الديزل الحيوي يمكن إنتاجه من مواد أولية متنوعة، مثل الزيوت النباتية البكر والزيوت النباتية المستعملة وزيوت القلي المستعملة والدهون الحيوانية مثل الشحم الحيواني وشحم الخنزير، فإن كمية الأحماض الدهنية الحرة (FFAs) قد تتفاوت بدرجة كبيرة. وتُعدّ النسبة المئوية للأحماض الدهنية الحرة للدهون الثلاثية عاملًا حاسمًا يؤثّر بشدة في عملية إنتاج الديزل الحيوي وجودة الديزل الحيوي الناتج. وقد تتداخل الكميات المرتفعة من الأحماض الدهنية الحرة مع عملية التحويل وتؤدي إلى تدهور الجودة النهائية للديزل الحيوي. وتتمثل المشكلة الرئيسية في أن الأحماض الدهنية الحرة (FFAs) تتفاعل مع المحفّزات القلوية، مما يؤدي إلى تكوّن الصابون. ويتسبب تكوّن الصابون لاحقًا في مشكلات في فصل الغليسرول. ولذلك تتطلب المواد الأولية المحتوية على كميات مرتفعة من الأحماض الدهنية الحرة (FFAs) غالبًا معالجة مسبقة (ما يُسمّى تفاعل الأسترة)، تتحوّل خلالها هذه الأحماض إلى إسترات. وتعزّز المعالجة بالموجات فوق الصوتية كلا التفاعلين، الأسترة التبادلية والأسترة.
التفاعل الكيميائي للأسترة
الأسترة هي عملية دمج حمض عضوي (RCOOH) مع كحول (ROH) لتكوين إستر (RCOOR) وماء.
استخدام الميثانول في الأسترة الحمضية
عند استخدام الأسترة الحمضية لتقليل الأحماض الدهنية الحرة (FFAs) في المواد الأولية، تكون متطلبات الطاقة المباشرة منخفضة نسبيًا. ومع ذلك، يتكوّن الماء أثناء تفاعل الأسترة – مما ينتج ميثانولًا رطبًا وحمضيًا يجب تحييده وتجفيفه واسترجاعه. وتكون عملية استرجاع الميثانول هذه مكلفة.
إذا كانت المواد الأولية عند البدء تحتوي على 20 إلى 40 % من الأحماض الدهنية الحرة (FFAs)، أو حتى نسب أعلى، فقد يلزم إجراء خطوات متعددة لخفضها إلى مستويات مقبولة. ويعني ذلك إنتاج مزيد من الميثانول الحمضي الرطب. وبعد تحييد الميثانول الحمضي، يتطلب التجفيف تقطيرًا متعدد المراحل بمعدلات ارتجاع كبيرة، مما يؤدي إلى استهلاك مرتفع جدًا للطاقة.
ما الزيوت المستخدمة لإنتاج الديزل الحيوي؟
تشمل الزيوت المستخدمة لإنتاج الديزل الحيوي الزيوت النباتية، مثل زيت فول الصويا وبذور اللفت (الكانولا) ودوّار الشمس والنخيل والزيت المستخرج من تفل القهوة المستهلك، وكذلك الدهون الحيوانية مثل الشحم الحيواني وشحم الخنزير. كما تُستخدم عادةً الزيوت المستعملة، بما فيها زيت الطهي المستعمل والزيوت المستخرجة من تفل القهوة المستهلك. وتخضع هذه الزيوت، التي تتكوّن أساسًا من الدهون الثلاثية، للأسترة التبادلية مع الكحول لإنتاج إسترات ميثيل الأحماض الدهنية (FAME)، وهي المركّبات الكيميائية التي تكوّن الديزل الحيوي. وتحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحويل الزيوت المستعملة إلى ديزل حيوي من خلال تعزيز عملية الأسترة التبادلية بتطبيق موجات فوق صوتية عالية الشدة. وفي الزيوت المستعملة، التي غالبًا ما تحتوي على شوائب ومحتوى أعلى من الأحماض الدهنية الحرة، تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تفكيك هذه الشوائب وتحسّن خلط المتفاعلات. ويؤدي ذلك إلى معدلات تفاعل أسرع وأزمنة تفاعل أقصر ومردود أعلى للديزل الحيوي، حتى مع المواد الأولية الأقل جودة. وتتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا تقليل استخدام المحفّز وخفض استهلاك الطاقة، مما يجعل تحويل الزيوت المستعملة إلى ديزل حيوي أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
اقرأ المزيد عن كيفية تكثيف المعالجة بالموجات فوق الصوتية لاستخلاص الزيوت من تفل القهوة المستهلك والأسترة التبادلية لهذه الزيوت إلى ديزل حيوي!
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الحجم المخبري إلى الحجم الصناعي.