초음파 개선(트랜스)에스테르화를 통한 바이오디젤
바이오디젤은 염기 촉매를 사용하여 에스테르 교환을 통해 합성됩니다. 그러나, 유리 지방산 함량이 높은 저급 폐채소 등의 원료를 사용하는 경우, 산-촉매제를 이용한 에스테르화의 화학적 전처리 단계가 요구된다. 초음파와 그 초음파 화학적 및 초음파 역학 효과는 두 가지 반응 유형에 모두 기여하고 바이오 디젤 변환의 효율성을 극적으로 증가시킵니다. 초음파 바이오 디젤 생산은 기존의 바이오 디젤 합성보다 훨씬 빠르며 바이오 디젤 수율과 품질이 높으며 메탄올 및 촉매와 같은 시약을 절약합니다.
Power Ultrasound를 사용한 바이오디젤 변환
바이오디젤의 경우, 지방산 에스테르는 식물성 기름과 동물성 지방(예: 수지)의 에스테르 교환에 의해 생산됩니다. 트랜스에스테르화 반응 동안, 글리세롤 성분은 메탄올과 같은 다른 알코올로 대체된다. 유리 지방산 함량이 높은 공급 원료(예: 폐식물성유(WVO))는 비누 형성을 방지하기 위해 산 에스테르화의 전처리가 필요합니다. 이 산 촉매 공정은 기존의 배치 방법으로 수행 할 때 매우 느린 반응입니다. 느린 에스테르화 과정을 가속화하기 위한 해결책은 파워 초음파를 적용하는 것입니다. 초음파 처리는 고출력 초음파의 초음파 화학 효과가 산성 촉매 작용을 촉진하고 강화함에 따라 반응 속도, 변환 및 바이오 디젤 수율이 크게 향상됩니다. 초음파 캐비테이션은 초음파 역학적 힘, 즉 고 전단 혼합과 초음파 화학적 에너지를 제공합니다. 이 두 가지 유형의 초음파 충격 (초음파 기계 및 초음파 화학)은 산 촉매 에스테르 화를 더 적은 촉매를 필요로하는 빠른 반응으로 바꿉니다.
초음파 혼합은 바이오 디젤 전환율을 향상시키고 수율을 높이며 과도한 메탄올과 촉매를 절약합니다. 사진은 3x의 설치를 보여줍니다. UIP1000hdt (각 1kW 초음파 전력) 인라인 처리용.
초음파 바이오 디젤 변환은 어떻게 작동합니까?
에스테르 교환 (때로는 알코올이라고도 함)과 에스테르 화의 다른 단계 사이의 초음파는 혼합의 향상뿐만 아니라 증가 된 열 및 물질 전달을 기반으로합니다. 초음파 혼합은 액체의 진공 기포가 붕괴될 때 발생하는 음향 캐비테이션의 원리를 기반으로 합니다. Acoustic cavitation은 높은 전단력과 난류, 매우 높은 압력 및 온도 차이를 특징으로 합니다. 이러한 힘은 에스테르 교환 / 에스테르 화의 화학 반응을 촉진하고 질량 및 열 전달을 강화하여 바이오 디젤 전환의 반응을 크게 향상시킵니다.
초음파 처리를 사용하여 트리글리세라이드를 바이오 디젤 (FAME)으로 에스테르 교환하면 반응이 가속화되고 효율성이 크게 높아집니다.
바이오 디젤 변환 중 초음파의 적용은 과학적으로나 산업적으로 공정 효율성을 향상시키는 것으로 입증되었습니다. 공정 효율성의 개선은 에너지 소비 및 운영 비용 감소, 알코올(즉, 메탄올) 사용 감소, 촉매 감소, 반응 시간 현저히 단축에 기인할 수 있습니다. 외부 난방이 필요하지 않기 때문에 난방을 위한 에너지 비용이 절감됩니다. 또한 바이오디젤과 글리세롤 간의 상 분리는 상 분리 시간이 짧고 더 간단합니다. 바이오 디젤 생산에서 초음파의 상업적 사용을위한 중요한 요소는 초음파 장비 (산업 표준, 최대 부하에서 24/7/365 연속 실행 가능)의 견고성 및 신뢰성뿐만 아니라 모든 용량으로의 간단한 확장, 신뢰할 수 있고 안전한 작동입니다.
인라인 바이오디젤 에스테르화 및 에스테르 교환을 위한 플로우 셀이 있는 초음파 산업 시스템.
초음파 에스테르화 및 에스테르 교환은 배치 또는 연속 인라인 공정으로 실행할 수 있습니다. 이 차트는 바이오디젤(FAME) 트랜스에스테르화(transesterfication)를 위한 초음파 인라인 공정을 보여줍니다.
초음파 에스테르화 및 에스테르 교환은 배치 또는 연속 인라인 공정으로 실행할 수 있습니다. 이 차트는 바이오디젤 전환을 위한 초음파 배치 공정을 보여줍니다.
초음파 보조 2단계 바이오디젤 변환, 산 및 염기 촉매 반응 단계 적용
FFA 함량이 높은 공급 원료의 경우, 바이오 디젤 생산은 2 단계 공정에서 산 또는 염기 촉매 반응으로 수행됩니다. 초음파는 두 가지 유형의 반응, 즉 산 촉매 에스테르화와 염기 촉매 에스테르 교환에 기여합니다.
초음파를 이용한 산 촉매 에스테르화
공급 원료에서 과도한 유리 지방산을 처리하려면 에스테르화 과정이 필요합니다. 황산은 일반적으로 산성 촉매로 사용됩니다.
- 오염 물질과 물로부터 여과하고 정제하여 공급 원료를 준비합니다.
- 촉매, 즉 황산을 메탄올에 용해시킵니다. 열교환기 및 정적 혼합기를 통한 촉매/메탄올 및 공급 원료의 공급 스트림을 통해 조잡한 사전 혼합물을 얻습니다.
- 촉매와 공급 원료의 사전 혼합은 초음파 반응 챔버로 직접 들어가 초미세 혼합 및 초음파 화학이 효과를 발휘하고 유리 지방산이 바이오 디젤로 전환됩니다.
- 마지막으로, 제품을 탈수하고 두 번째 단계 인 초음파 에스테르 교환으로 공급합니다. 산성 습식 메탄올은 회수, 건조 및 중화 후 재사용할 준비가 되어 있습니다.
- 매우 높은 FFA 함유 공급 원료의 경우, 에스테르 교환 단계 전에 FFA를 합리적인 수준으로 낮추기 위해 재순환 설정이 필요할 수 있습니다.
산성 촉매를 사용한 에스테르화 반응:
FFA + 알코올 → 에스테르 + 물
초음파를 이용한 염기 촉매 에스테르 교환
현재 소량의 FFA만 있는 공급 원료는 에스테르 교환 단계로 직접 공급할 수 있습니다. 가장 일반적으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨(NaOH, KOH)이 기본 촉매로 사용됩니다.
- 촉매, 즉 수산화칼륨을 메탄올에 용해시키고 촉매/메탄올 및 전처리된 공급 원료의 흐름을 정적 혼합기를 통해 공급하여 조잡한 사전 혼합물을 얻습니다.
- 캐비테이션 고 전단 혼합 및 초음파 화학 처리를 위해 사전 혼합물을 초음파 반응 챔버에 직접 공급합니다. 이 반응의 생성물은 알킬 에스테르(즉, 바이오디젤)와 글리세린입니다. 글리세린은 침전시키거나 원심분리하여 분리할 수 있습니다.
- 초음파로 생산 된 바이오 디젤은 고품질이며 메탄올과 촉매를 절약하여 빠르고 에너지 효율적이며 비용 효율적으로 제조됩니다.
염기 촉매를 사용한 트랜스에스테르화 반응:
오일 / 지방 + 알코올 → 바이오 디젤 + 글리세롤
메탄올 사용 & 메탄올 회수
메탄올은 바이오디젤 생산의 핵심 성분입니다. 초음파로 구동되는 바이오디젤 변환은 메탄올의 사용을 크게 줄일 수 있습니다. 지금 "어차피 회수하기 때문에 메탄올 사용에 신경 쓰지 않는다"고 생각한다면, 메탄올을 분리하고 재활용하는 데 필요한 증발 단계(예: 증류탑 사용)에 적용되는 엄청나게 높은 에너지 비용을 다시 생각하고 고려할 수 있습니다.
메탄올은 일반적으로 바이오디젤과 글리세린을 두 층으로 분리한 후 제거되어 반응 역전을 방지합니다. 그런 다음 메탄올을 세척하고 공정 시작 부분으로 다시 재활용합니다. 초음파 기반 에스테르화 및 에스테르 교환을 통해 바이오디젤을 생산하면 메탄올 사용을 획기적으로 줄일 수 있으므로 메탄올 회수를 위한 엄청난 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. Hielscher 초음파 반응기를 사용하면 필요한 초과 메탄올의 양이 최대 50 %까지 줄어 듭니다. 1 : 4 또는 1 : 4.5 (오일 : 메탄올) 사이의 몰 비율은 Hielscher 초음파 혼합을 사용할 때 대부분의 공급 원료에 충분합니다.
초음파 에스테르 화는 FFA가 많은 저급 공급 원료를 에스테르로 환원 한 전처리 단계입니다. 초음파 에스테르 교환의 2 단계에서 트리글리세라이드는 바이오 디젤 (FAME)으로 전환됩니다.
초음파로 바이오디젤 변환 효율 향상 – 과학적으로 입증된 제품
수많은 연구자 그룹이 바이오디젤의 초음파 에스테르 교환의 메커니즘과 효과를 조사했습니다. 예를 들어, Sebayan Darwin의 연구팀은 초음파 캐비테이션이 화학적 활성과 반응 속도를 증가시켜 에스테르 형성을 크게 증가시켰다는 것을 입증했습니다. 초음파 기술은 에스테르 교환 반응 시간을 5 분으로 줄였습니다 – 기계적 교반 가공의 경우 2시간에 비해 다릅니다. 초음파하에서 트리글리세라이드 (TG)를 FAME로 전환하면 메탄올 대 오일 몰 비율이 6 : 1이고 수산화 나트륨이 촉매로 1 % wt인 95.6929 % wt를 얻을 수 있습니다. (Darwin et al. 2010 참조)
바이오디젤 가공을 위한 중형 및 대규모 초음파기
Hielscher Ultrasonics’ 모든 양에서 바이오 디젤의 효율적인 생산을 위해 중소 규모뿐만 아니라 대규모 산업용 초음파 프로세서를 공급합니다. 모든 규모의 초음파 시스템을 제공하는 Hielscher는 소규모 생산자와 대기업 모두에게 이상적인 솔루션을 제공 할 수 있습니다. 초음파 바이오디젤 변환은 배치 또는 연속 인라인 공정으로 작동할 수 있습니다. 설치 및 작동이 간단하고 안전하며 우수한 바이오디젤 품질의 높은 출력을 안정적으로 제공합니다.
아래에서 다양한 생산 속도에 권장되는 반응기 설정을 찾을 수 있습니다.
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톤/시간
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갤런/시간
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|---|---|---|
| 1배 UIP500hdt 님 |
0.25에서 0.5
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80에서 160
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| 1배 UIP1000hdt |
0.5에서 1.0
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160에서 320
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| 1배 UIP1500hdT 님 |
0.75에서 1.5
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240에서 480
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| 2배 UIP1000hdt |
1.0에서 2.0
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320에서 640
|
| 2배 UIP1500hdT 님 |
1.5에서 3.0
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480에서 960
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| 4배 UIP1500hdT 님 |
3.0에서 6.0
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960 년에서 1920 년
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| 6배 UIP1500hdT 님 |
4.5에서 9.0
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1440 년에서 2880 년
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Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
바이오디젤 생산
바이오디젤은 트리기세라이드가 에스테르 교환(transesterification)으로 알려진 화학 반응을 통해 유리 지방 메틸 에스테르(FAME)로 전환될 때 생성됩니다. 에스테르 교환 반응 중에, 식물성 기름 또는 동물성 지방의 트리길세라이드는 촉매(예: 수산화칼륨 또는 수산화나트륨)의 존재 하에 1차 알코올(예: 메탄올)과 반응합니다. 이 반응에서, 알킬 에스테르는 식물성 기름 또는 동물성 지방의 공급 원료로부터 형성됩니다. 트리글리세라이드는 글리세라이드로, 글리세롤이 지방산으로 알려진 긴 사슬 산으로 에스테르화됩니다. 이러한 지방산은 식물성 기름과 동물성 지방에 풍부하게 존재합니다. 바이오디젤은 버진 식물성 기름, 폐 식물성 기름, 사용된 튀김 기름, 수지 및 라드와 같은 동물성 지방과 같은 다양한 공급 원료에서 생산될 수 있기 때문에 유리 지방산(FFA)의 양은 크게 다를 수 있습니다. 트리글리세라이드의 유리 지방산의 비율은 바이오디젤 생산 공정과 그에 따른 바이오디젤 품질에 큰 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 다량의 유리 지방산은 전환 과정을 방해하고 최종 바이오디젤 품질을 저하시킬 수 있습니다. 가장 큰 문제는 유리 지방산(FFA)이 알칼리 촉매와 반응하여 비누를 형성한다는 것입니다. 비누 형성은 이후에 글리세롤 분리 문제를 일으킵니다. 따라서 다량의 FFA를 함유하는 공급 원료는 대부분 전처리(소위 에스테르화 반응)가 필요하며, 이 과정에서 FFA가 에스테르로 변형됩니다. 초음파는 반응, 에스테르 교환 및 에스테르 화를 모두 촉진합니다.
에스테르화의 화학 반응
에스테르화는 유기산(RCOOH)과 알코올(ROH)을 결합하여 에스테르(RCOOR)와 물을 형성하는 과정입니다.
산성 에스테르화에서의 메탄올 사용
공급 원료에서 FFA를 줄이기 위해 산 에스테르화를 사용하는 경우 즉각적인 에너지 요구량이 상대적으로 낮습니다. 그러나 물은 에스테르화 반응 중에 생성됩니다 – 습식, 산성 메탄올을 생성하여 중화, 건조 및 회수해야 합니다. 이 메탄올 회수 공정은 비용이 많이 듭니다.
시작 공급 원료의 FFA 비율이 20-40% 또는 그보다 더 높은 경우, 이를 허용 가능한 수준으로 낮추기 위해 여러 단계가 필요할 수 있습니다. 이것은 훨씬 더 산성이고 습한 메탄올이 생성된다는 것을 의미합니다. 산성 메탄올을 중화한 후 건조하려면 상당한 환류 속도로 다단계 증류가 필요하므로 에너지 사용량이 매우 높습니다.
바이오디젤 생산에는 어떤 오일이 사용됩니까?
바이오디젤 생산에 사용되는 오일에는 대두, 유채씨(카놀라유), 해바라기유, 팜유, 사용한 커피 찌꺼기에서 추출한 기름과 같은 식물성 기름과 수지 및 라드와 같은 동물성 지방이 포함됩니다. 폐식용유와 사용한 커피 찌꺼기에서 추출한 기름을 포함한 폐유도 일반적으로 사용됩니다. 주로 트리글리세라이드로 구성된 이 오일은 알코올로 에스테르 교환을 거쳐 바이오디젤을 형성하는 화합물인 지방산 메틸 에스테르(FAME)를 생성합니다. Sonication은 고강도 초음파의 적용을 통해 에스테르 교환 과정을 향상시킴으로써 폐유의 바이오 디젤 전환을 개선합니다. 종종 불순물과 유리 지방산 함량이 높은 폐유에서 초음파 처리는 이러한 불순물을 분해하고 반응물의 혼합을 개선하는 데 도움이됩니다. 그 결과 반응 속도가 빨라지고 반응 시간이 단축되며 품질이 낮은 공급 원료에서도 바이오디젤 수율이 높아집니다. 초음파 처리는 또한 촉매 사용을 줄이고 에너지 소비를 줄여 폐유를 바이오 디젤로보다 효율적이고 비용 효율적으로 전환 할 수 있습니다.
더 읽어보십시오 초음파 처리가 사용한 커피 찌꺼기에서 오일을 추출하고 이러한 오일을 바이오 디젤로 에스테르 교환하는 방법을 강화하십시오!
