Yüksək performanslı biosürtkü materiallarının istehsalı üçün ultrasəslə diester sintezi

Sənaye sahələrində neftdən alınan sürtkü materiallarından bərpa olunan, bioloji parçalana bilən və yüksək performanslı mürəkkəb efir əsaslı sürtkü materiallarına keçid sürətlənir. Sürtkü materialları istehsalçıları yüksək özlülük indeksi, aşağı uçuculuq, yaxşı yağlama qabiliyyəti, termiki sabitlik və aşağı temperaturlarda etibarlı davranış kimi ciddi performans meyarlarını qoruyaraq ətraf mühitə təsiri azaltmaq üçün artan təzyiqlə üzləşirlər. Bu kontekstdə ultrasəslə transesterifikasiya müasir biosürtkü materiallarının tərkibində istifadə olunan mürəkkəb efir əsaslı xammalların sintezi üçün prosesi intensivləşdirməyə imkan verən güclü strategiya təklif edir.

Biosürtkü materialları üçün diesterlərin ultrasəslə transesterifikasiyası

Bitki yağlarının və piylərin ultrasəslə transesterifikasiyası mürəkkəb efir çıxımını əhəmiyyətli dərəcədə artıran, emal məhdudiyyətlərini azaldan və transesterifikasiya üsulunu sənaye miqyasında sürtkü materiallarının istehsalı üçün daha cəlbedici edən dayanıqlı texnikadır. Hielscher zond tipli sonikatorları nəzarət olunan proses şəraitində axın xəttində istehsal zamanı mürəkkəb efirlərin səmərəli sintezi üçün istifadə olunur.

Transesterifikasiya ilə biosürtkü materiallarının sintezi

Bitki yağları bərpa olunan, bioloji parçalana bilən və yaxşı yağlama qabiliyyətinə malik olduqları üçün biosürtkü materialları üçün cəlbedici xammallardır. Bununla belə, emal olunmamış bitki yağlarının oksidləşmə sabitliyi çox vaxt məhdud olur və aşağı temperatur xassələri zəif olur. Bu çatışmazlıqları aradan qaldırmaq üçün geniş yayılmış strategiya bitki yağlarından alınan metil efirlərinin transesterifikasiya yolu ilə pentaeritrit efirləri kimi poliol efirlərinə çevrilməsidir.
Arumugam və həmmüəlliflərinin “Poliol efiri əsaslı biosürtkü materialının sintezində ultrasəslə aparılan transesterifikasiya prosesinin parametrlərinin RSM və qarğa axtarış alqoritmi əsasında optimallaşdırılması” adlı tədqiqatında raps yağı əvvəlcə raps yağının metil efirinə çevrilmişdir. İkinci mərhələdə bu metil efiri p-toluolsulfon turşusu katalizatorunun və həlledici kimi ksilolun iştirakı ilə pentaeritritlə reaksiyaya daxil edilmişdir. Hədəf məhsul biosürtkü materialı üçün baza yağı kimi yararlı olan pentaeritrit efiri idi. Bu reaksiya sürtkü materialları istehsalçıları üçün çox əhəmiyyətlidir, çünki poliol efirləri kompressor yağları, hidravlik mayelər, soyuducu sistem yağları və digər yüksək performanslı sürtkü tətbiqləri üçün sintetik sürtkü baza komponentləri kimi geniş istifadə olunur.
Ənənəvi transesterifikasiyada əsas çətinlik reaksiyanın çox vaxt reagentlər arasında zəif kütlə ötürülməsi ilə məhdudlaşmasıdır. Metil efirləri, poliollar və katalizatorlar həmişə ideal homogen reaksiya sistemi yaratmır. Ənənəvi qarışdırma uzun reaksiya müddətləri, yüksək temperatur və yüksək enerji girişi tələb edə bilər, buna baxmayaraq çıxım yenə də orta səviyyədə qala bilər. Ultrasəslə emal məhz burada həlledici üstünlük təmin edir.

Pentaeritrit efirinin ultrasəslə transesterifikasiya prosesinin axın sxemi
Tədqiqat və qrafik: ©Arumugam et al,.2019

Ultrasəslə transesterifikasiya mürəkkəb efir sintezini necə intensivləşdirir

Ultrasəslə transesterifikasiya maye reaksiya mühitində akustik kavitasiya yaratmaq üçün yüksək intensivlikli ultrasəsdən istifadə edir. Kavitasiya böyüyən və şiddətlə çökən mikroskopik qabarcıqlar yaradır. Bu, intensiv yerli kəsilmə qüvvələri, mikroşırnaqlar, akustik axın və mikroemulsiyalaşma əmələ gətirir.
Mürəkkəb efir sintezi üçün bu təsirlər çox dəyərlidir, çünki onlar:

• damcı ölçüsünü azaldır və fazalar arasındakı təması yaxşılaşdırır
• bir-biri ilə qarışmayan və ya zəif qarışan reagentlər arasında fazalararası səthin sahəsini artırır
• katalizatorun əlçatanlığını artırır
• kütlə ötürülməsini sürətləndirir
• reaksiya kinetikasını yaxşılaşdırır
• optimallaşdırılmış şəraitdə daha yüksək mürəkkəb efir çıxımını dəstəkləyir

Tədqiqatda izah olunur ki, kavitasiyanın yaratdığı turbulentlik və mikroemulsiyalar ənənəvi transesterifikasiyanın kütlə ötürülməsi məhdudiyyətlərini aradan qaldırır. Nəticədə reagentlər daha səmərəli dispersləşir və katalitik reaksiya daha sürətlə və daha tam gedir.

Tədqiqatın nəticələri: ultrasəslə daha yüksək mürəkkəb efir çıxımı

Tədqiqatda ultrasəsin köməyi ilə aparılan proses cavab səthi metodologiyası və qarğa axtarış alqoritmi ilə optimallaşdırılmışdır. Araşdırılan proses dəyişənləri ultrasəs impulsu, ultrasəs amplitudası, katalizatorun qatılığı və reaksiya temperaturu idi.
Optimallaşdırılmış ultrasəs prosesinin şərtləri belə idi:
Sonikator sistemi: Hielscher UP400St zond tipli sonikator
Ultrasəs impulsu: 15 saniyə
Ultrasəs amplitudası: 60%
Katalizatorun qatılığı: 1,5 wt.%
Reaksiya temperaturu: 100°C

Bu optimallaşdırılmış şəraitdə ultrasəsin köməyi ilə aparılan transesterifikasiya təxminən 81,4% pentaeritrit efiri çıxımı təmin etmişdir. Müqayisə üçün, ənənəvi transesterifikasiya üsulu tədqiqatda qiymətləndirilən şəraitdə yalnız təxminən 47% çıxım vermişdir. Bu o deməkdir ki, ultrasəslə emal ənənəvi üsula nisbətən mürəkkəb efir çıxımını 70%-dən çox artırmışdır.
Sürtkü materialları istehsalçıları üçün bu, çox əhəmiyyətli nəticədir. Daha yüksək çıxım xammaldan daha yaxşı istifadə, əlavə proses axınlarının azalması, prosesin iqtisadi göstəricilərinin yaxşılaşması və mürəkkəb efir baza yağının hər kiloqramına düşən istehsal xərcinin potensial olaraq azalması deməkdir.

Mürəkkəb efirin əmələ gəlməsinin təsdiqi

Arumugam və həmmüəlliflərinin (2019) tədqiqatı pentaeritrit efirinin əmələ gəlməsini FTIR spektroskopiyası və qaz xromatoqrafiyası ilə təsdiqləmişdir. FTIR analizi mürəkkəb efir karbonilinə və mürəkkəb efirin C–O rabitəsinə xas pikləri göstərmiş, əlavə piklər isə pentaeritritil qrupunun mövcudluğunu dəstəkləmişdir. Qaz xromatoqrafiyası monoester, diester, triester və tetraester fraksiyaları daxil olmaqla məhsulun tərkibini əlavə olaraq təsdiqləmişdir.
Biosürtkü materiallarının istehsalı üçün bu analitik təsdiq vacibdir, çünki sürtkü materialının performansı mürəkkəb efir tərkibindən güclü şəkildə asılıdır. Nəzarət olunan ultrasəslə transesterifikasiya vasitəsilə arzu olunan mürəkkəb efir strukturlarının əmələ gəlməsini təşviq etmək imkanı istehsalçılara baza yağının keyfiyyətini və prosesin sabitliyini yaxşılaşdırmaq üçün praktik vasitə verir.
 

Ultrasəslə transesterifikasiya olunmuş pentaeritrit efirinin FTIR spektri
Tədqiqat və qrafik: ©Arumugam et al., 2019

Sürtkü materialları istehsalçıları üçün Hielscher sonikatorlarının üstünlükləri

Hielscher tədqiqat və işlənmə cihazlarından tam sənaye ultrasəs sistemlərinə qədər sonikatorların tam çeşidini təklif edir. Bu, prosesin laboratoriya miqyasında işlənib hazırlanmasına və sonra eyni əsas ultrasəs prinsiplərindən istifadə etməklə pilot və istehsal miqyasına keçirilməsinə imkan verir.
200 vatt və daha yüksək gücə malik bütün sonikatorlar ən yüksək istifadə rahatlığı və təkrarlana bilən nəticələr üçün rəqəmsal idarəetmə, proqramlaşdırılan parametrlər, brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə, məlumatların avtomatik qeydə alınması, qoşula bilən temperatur və təzyiq sensorları və bir çox digər funksiyalarla təchiz olunmuşdur.
Sənaye miqyasında sürtkü materiallarının istehsalı üçün Hielscher çeşidinə həyata keçirilmə imkanlarının araşdırılması üçün kompakt laboratoriya sonikatorları, prosesin optimallaşdırılması üçün pilot miqyaslı sistemlər, UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT kimi sənaye ultrasəs prosessorları və böyük həcmli fasiləsiz emal üçün daha iri çoxcihazlı qurğular daxildir.
Axın reaktorları nəzarət olunan qalma müddətinə, daha intensiv kavitasiya üçün təzyiqin artırılmasına, temperaturun idarə olunmasına və mövcud esterifikasiya və ya transesterifikasiya istehsal xətlərinə birbaşa inteqrasiyaya imkan verir.

Hielscher ultrasəs prosessorları mürəkkəb efir və biosürtkü materiallarının sintezi üçün mühüm üstünlüklər təklif edir:

• təkrarlana bilən kavitasiya intensivliyi üçün amplitudanın dəqiq idarə olunması
• enerji girişini və istilik idarəetməsini optimallaşdırmaq üçün tənzimlənən impuls rejimi
• enerjinin reaksiya mühitinə birbaşa və səmərəli ötürülməsi üçün yüksək güclü zondla ultrasəs emalı
• prosesin çevik işlənib hazırlanması üçün partiya və fasiləsiz axın rejimlərində işləmə
• laboratoriya sınaqlarından yüksək emal məhsuldarlığına malik istehsala qədər sənaye miqyasına keçid imkanı
• yüksək tələblər qoyulan kimyəvi emal mühitləri üçün möhkəm avadanlıq konstruksiyası

 
 
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə təsəvvür verir:

İstehsal strategiyası kimi ultrasəslə diester sintezi

Yağların və piylərin ultrasəslə transesterifikasiyasının proses prinsipi ultrasəslə diester sintezinə və daha geniş mürəkkəb efir əsaslı biosürtkü materialları istehsalına birbaşa aiddir. Diesterlər əlverişli özlülük–temperatur davranışı, yağlama qabiliyyəti və aşağı temperatur xassələri sayəsində mühüm sintetik sürtkü baza komponentləridir. Digər esterifikasiya və transesterifikasiya reaksiyaları kimi, diester sintezi də çox vaxt reagentlər arasında təmasın yaxşılaşdırılmasından, daha sürətli kütlə ötürülməsindən və katalizatordan daha səmərəli istifadədən faydalanır.
Buna görə də ultrasəslə emal bərpa olunan xammallardan, yağ turşularının metil efirlərindən, spirtlərdən, poliollardan və ya digər mürəkkəb efir prekursorlarından mürəkkəb efirlər istehsal edən istehsalçılar üçün praktik intensivləşdirmə vasitəsidir. Ultrasəs yalnız istilik və mexaniki qarışdırmaya arxalanmaq əvəzinə, bir çox reaksiya məhdudiyyətinin həqiqətən yarandığı mikroskopik səviyyədə kavitasiyanın yaratdığı qarışdırmanı təmin edir.

Proses mühəndisləri üçün bu o deməkdir ki, ultrasəs reaktorlarından aşağıdakıları yaxşılaşdırmaq üçün istifadə oluna bilər:

• reaksiya sürəti
• mürəkkəb efir çıxımı
• katalizatorun səmərəliliyi
• fazaların dispersləşməsi
• partiyalar arasında nəticələrin sabitliyi
• prosesin kompaktlığı
• uzunmüddətli ənənəvi emalla müqayisədə enerji səmərəliliyi

Ultrasəslə transesterifikasiya ilk 1,5 dəqiqə ərzində təxminən 75% çevrilmə dərəcəsinə çatır və 6 dəqiqədən sonra təxminən 90% çevrilmə səviyyəsində sabitləşir.
Ənənəvi üsul xeyli daha aşağı çevrilmə sürəti göstərir və 8 dəqiqədən sonra yalnız təxminən 40% çevrilmə dərəcəsinə çatır.
Tədqiqat və qrafik: ©Fayyazi et al., 2014

Laboratoriya tədqiqatından sənaye miqyasında biosürtkü materiallarının istehsalına

Ultrasəsin köməyi ilə aparılan transesterifikasiya ənənəvi üsulla müqayisədə daha yüksək çıxım və daha az sərt reaksiya şəraiti ilə sürtkü materialları üçün mürəkkəb efirlərin (məsələn, pentaeritrit efiri əsaslı biosürtkü materialının) istehsalına uyğun üsuldur. Arumugam və həmmüəllifləri (2019) çıxımın 47%-dən təxminən 81,4%-ə yüksəldiyini bildirmişlər; bu, prosesin ultrasəslə intensivləşdirilməsinin kommersiya əhəmiyyətini aydın şəkildə nümayiş etdirir.
Sürtkü materialları istehsalçıları üçün nəticələr aydındır: ultrasəslə transesterifikasiya bərpa olunan xammalların yüksək dəyərli mürəkkəb efir baza yağlarına daha səmərəli çevrilməsinə kömək edə bilər. Hielscher sonikatorları ilə laboratoriya optimallaşdırılmasında istifadə olunan eyni texnologiya platforması fasiləsiz sənaye əməliyyatına qədər miqyaslandırıla bilər. Bu, ultrasəslə emalı yalnız tədqiqat vasitəsi deyil, həm də növbəti nəsil biosürtkü materialları üçün tətbiq oluna bilən istehsal strategiyası edir.
Hielscher ultrasəs reaktorlarını mürəkkəb efir sintezi xətlərinə inteqrasiya etməklə istehsalçılar transesterifikasiyanı intensivləşdirə, çıxımı artıra və bitki yağlarından alınan xammallardan daha dayanıqlı sürtkü baza komponentləri hazırlaya bilərlər. Bioloji parçalana bilən və bərpa olunan sürtkü materiallarına tələbat artmaqda davam etdikcə, ultrasəslə diester və poliol efiri sintezi daha təmiz, daha səmərəli və kommersiya baxımından rəqabətqabiliyyətli biosürtkü materialları istehsalına doğru güclü yol təklif edir.

Ədəbiyyat / İstinadlar

• Arumugam, S., Chengareddy, P., Tamilarasan, A. et al. (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019. 5535–5548.
• Nicolas A. Patience, Federico Galli, Marco G. Rigamonti, Dalma Schieppati, Daria C. Boffito (2019): Ultrasonic Intensification To Produce Diester Biolubricants. Industrial & Engineering Chemistry Research 58, 19; 2019. 7957–7963.
• 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.