Ултразвуков синтез на диестери за производство на висококачествени биосмазочни материали

Преходът от смазочни материали на петролна основа към възобновяеми, биоразградими и високопроизводителни смазочни материали на естерна основа се ускорява във всички промишлени сектори. Производителите на смазочни материали са под нарастващ натиск да намалят въздействието върху околната среда, като същевременно поддържат високи експлоатационни критерии, като висок вискозитетен индекс, ниска летливост, добра смазваща способност, термична стабилност и надеждно поведение при ниски температури. В този контекст ултразвуковата трансестерификация предлага мощна стратегия за интензифициране на процесите при синтеза на суровини на естерна основа, използвани в съвременните формулировки на биосмазочни материали.

Ултразвукова трансестерификация на диестери за биосмазочни материали

Ултразвуковата трансестерификация на растителни масла и мазнини е устойчива технология, която значително повишава добива на естери, намалява ограниченията при преработката и прави метода на трансестерификацията по-привлекателен за промишленото производство на смазочни материали. Ултразвуковите апарати с сонда на Hielscher се използват за ефективен синтез на естери в производствена линия при контролирани технологични условия.

Синтез на биосмазочни материали чрез трансестерификация

Растителните масла са привлекателни суровини за биосмазочни материали, тъй като са възобновяеми, биоразградими и притежават добри смазващи свойства. Необработените растителни масла обаче често се характеризират с ограничена окислителна стабилност и лоши свойства при ниски температури. Често използвана стратегия за преодоляване на тези недостатъци е превръщането на метиловите естери, получени от растителни масла, в полиолни естери, като например пентаеритритолови естери, чрез трансестерификация.
В проучването “Оптимизация на параметрите на процеса на трансестерификация с ултразвук при синтеза на биосмазка на базата на полиол-естер чрез алгоритъма RSM и Crow Search” Според Arumugam и др., рапичното масло първо е било превърнато в метилов естер на рапично масло. Във втория етап този метилов естер е бил подложен на реакция с пентаеритритол в присъствието на катализатор от п-толуенсулфонова киселина и ксилен като разтворител. Целевият продукт беше пентаеритритолов естер, подходящ като базово масло за биосмазочни материали. Тази реакция е от голямо значение за производителите на смазочни материали, тъй като полиолните естери се използват широко като синтетични базови масла за компресорни масла, хидравлични течности, хладилни масла и други приложения с висока производителност.
Основното предизвикателство при конвенционалната трансестерификация е, че реакцията често се ограничава от лошия масов пренос между реагентите. Метиловите естери, полиолите и катализаторите не винаги образуват идеална хомогенна реакционна система. Конвенционалното разбъркване може да изисква дълго време на реакция, висока температура и повишен енергиен приток, като въпреки това дава умерени добиви. Именно тук ултразвуковата обработка осигурява решаващо предимство.

Схема на процеса на ултразвукова трансестерификация на пентаеритритолов естер
Изследване и графика: ©Arumugam и др., 2019 г.

Как ултразвуковата трансестерификация ускорява синтеза на естери

При ултразвуковата трансестерификация се използва ултразвук с висока интензивност за създаване на акустична кавитация в течната реакционна среда. Кавитацията генерира микроскопични мехурчета, които нарастват и се разрушават бурно. Това води до възникването на силни локални срязващи сили, микроструи, акустично течение и микроемулгиране.
При синтеза на естери тези ефекти са изключително ценни, тъй като:

• намаляване на размера на капките и подобряване на контакта между фазите
• увеличаване на повърхностната площ на границата между несмесими или слабо смесими реагенти
• повишаване на достъпността на катализатора
• Ускоряване на масовия трансфер
• подобряване на кинетиката на реакцията
• допринася за по-висок добив на естери при оптимизирани условия

В проучването се обяснява, че турбулентността, предизвикана от кавитация, и микроемулсиите преодоляват ограниченията при масообмена при конвенционалната трансестерификация. В резултат на това реагентите се диспергират по-ефективно, а каталитичната реакция протича по-бързо и по-пълно.

Резултати от проучването: По-висок добив на естери при използване на ултразвук

В проучването процесът, подпомаган от ултразвук, беше оптимизиран чрез използване на методологията на повърхността на отклика и алгоритъма „търсене на врана“. Изследваните променливи на процеса бяха ултразвуковият импулс, амплитудата на ултразвука, концентрацията на катализатора и температурата на реакцията.
Оптимизираните условия на ултразвуковия процес бяха:
Система „Sonicator“: Ултразвуков апарат с сонда Hielscher UP400St
Ултразвуков импулс: 15 секунди
Ултразвукова амплитуда: 60 %
Концентрация на катализатора: един и половина тегловни процента
Температура на реакцията: 100°C

При тези оптимизирани условия трансестерификацията с помощта на ултразвук постигна добив на пентаеритритолов естер от приблизително 81,4%. За сравнение, при конвенционалния метод на трансестерификация добивът е бил едва около 47% при условията, оценени в проучването. Това означава, че ултразвуковата обработка е увеличила добива на естер с повече от 70% в сравнение с конвенционалния метод.
За производителите на смазочни материали това е изключително важен резултат. По-високият добив означава по-добро оползотворяване на суровините, намаляване на страничните продукти, подобряване на икономическите показатели на процеса и потенциално по-ниски производствени разходи на килограм естерно базово масло.

Потвърждение на образуването на естер

Изследването на Arumugam и др. (2019) потвърди образуването на пентаеритритолов естер чрез FTIR-спектроскопия и газова хроматография. FTIR-анализът показа характерни пикове на карбонила на естера и на C–O връзката на естера, докато допълнителни пикове потвърдиха наличието на пентаеритритилова група. Газовата хроматография допълнително потвърди състава на продукта, включващ фракции на моноестер, диестер, триестер и тетраестер.
За производството на биосмазочни материали това аналитично потвърждение е важно, тъй като експлоатационните характеристики на смазочните материали зависят в голяма степен от състава на естерите. Възможността да се стимулира образуването на желаните естерни структури чрез контролирана ултразвукова трансестерификация предоставя на производителите практичен инструмент за подобряване на качеството на базовото масло и за осигуряване на постоянство в производствения процес.
 

FTIR спектър на пентаеритритолов естер, трансестерифициран с ултразвук
Изследване и график: ©Arumugam и др., 2019 г.

Предимства на ултразвуковите апарати на Hielscher за производителите на смазочни материали

Hielscher предлага пълна гама от ултразвукови апарати от R&От D-модули до изцяло промишлени ултразвукови системи. Това позволява даден процес да бъде разработен в лабораторен мащаб и след това да бъде пренесен в пилотен и производствен мащаб, като се използват същите основни ултразвукови принципи.
Всички ултразвукови апарати с мощност от 200 вата и повече разполагат с цифрово управление, програмируеми настройки, дистанционно управление чрез браузър, автоматично записване на данни, сменяеми сензори за температура и налягане и много други функции, осигуряващи максимално удобство за ползване и възпроизводими резултати.
За производството на промишлени смазочни материали гамата на Hielscher включва компактни лабораторни ултразвукови апарати за проучвания за осъществимост, системи в пилотен мащаб за оптимизиране на процесите и промишлени ултразвукови процесори като UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT и по-големи инсталации с няколко модула за непрекъсната обработка на големи обеми.
Реакторите с проточно действие позволяват контролирано време на престой, създаване на налягане за по-интензивна кавитация, регулиране на температурата и интегриране в съществуващи производствени линии за естерификация или трансестерификация.

Ултразвуковите процесори на Hielscher предлагат значителни предимства при синтеза на естери и биосмазочни материали:

• прецизен контрол на амплитудата за възпроизводима интензивност на кавитацията
• регулируемо пулсиране за оптимизиране на енергийния приток и термичното управление
• ултразвукова обработка с високоенергийна сонда за директно и ефективно пренасяне на енергия в реакционната среда
• работа в партиди и с непрекъснат поток за гъвкаво разработване на технологични процеси
• промишлена мащабируемост – от лабораторни изпитвания до производство с висока производителност
• здрава конструкция на оборудването, подходяща за тежки условия на химическа преработка

 
 
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Синтез на диестери чрез ултразвук като производствена стратегия

Принципът на процеса на ултразвукова трансестерификация на масла и мазнини е пряко свързан с ултразвуковия синтез на диестери и с по-широкото производство на биосмазочни материали на естерна основа. Диестерите са важни базови съставки за синтетични смазочни материали благодарение на благоприятното си поведение при промяна на вискозитета в зависимост от температурата, смазващите си свойства и характеристиките си при ниски температури. Подобно на други реакции на естерификация и трансестерификация, синтезът на диестери често се облагодетелства от подобрен контакт между реагентите, по-бърз масов пренос и по-ефективно използване на катализатора.
Следователно ултразвуковата обработка е практичен инструмент за интензифициране на процесите за производителите, които произвеждат естери от възобновяеми суровини, метилови естери на мастни киселини, алкохоли, полиоли или други прекурсори на естери. Вместо да се разчита единствено на топлина и механично разбъркване, ултразвукът въвежда смесване, задвижвано от кавитация, на микроскопично ниво, където всъщност възникват много от ограниченията на реакцията.

За инженерите-технолози това означава, че ултразвуковите реактори могат да се използват за подобряване на:

• Скорост на реакция
• добив на естер
• ефективност на катализатора
• фаза на дисперсия/li>
• съвместимост между партидите
• компактност на процеса
• енергийна ефективност в сравнение с продължителната конвенционална обработка

При ултразвуковата трансестерификация степента на превръщане достига приблизително 75 % в рамките на първите 1,5 минути и се стабилизира на ниво около 90 % след 6 минути.
Конвенционалният метод показва много по-бавен коефициент на преобразуване, като след 8 минути достига само около 40% преобразуване.
Изследване и график: ©Fayyazi и др., 2014

От лабораторни изследвания до промишлено производство на биосмазочни материали

Трансестерификацията с помощта на ултразвук е подходящ метод за производство на естери за смазочни материали (като например биосмазочен материал на базата на пентаеритритолов естер) с по-висок добив и по-ниска реактивна интензивност в сравнение с конвенционалния метод. Arumugam и др. (2019) отчитат увеличение на добива от 47% до приблизително 81,4%, което ясно демонстрира търговската значимост на интензификацията на процеса чрез ултразвук.
За производителите на смазочни материали последствията са ясни: ултразвуковата трансестерификация може да спомогне за по-ефективното превръщане на възобновяеми суровини във висококачествени естерни базови масла. С ултразвуковите апарати на Hielscher същата технологична платформа, използвана за лабораторна оптимизация, може да бъде мащабирана за непрекъсната промишлена експлоатация. Това превръща ултразвуковата обработка не само в изследователски инструмент, но и в жизнеспособна производствена стратегия за биосмазочни материали от ново поколение.
Чрез интегрирането на ултразвуковите реактори на Hielscher в производствените линии за синтез на естери производителите могат да ускорят процеса на трансестерификация, да подобрят добива и да разработват по-устойчиви базови масла за смазочни материали от суровини, получени от растителни масла. Тъй като търсенето на биоразградими и възобновяеми смазочни материали продължава да нараства, ултразвуковият синтез на диестери и полиолни естери предлага надежден път към по-чисто, по-ефективно и търговски конкурентно производство на биосмазочни материали.

Литература / Препратки