바이오디젤 생산 & 바이오디젤 전환
바이오디젤을 만들 때 느린 반응 역학과 낮은 질량 전달로 인해 바이오디젤 플랜트 용량과 바이오디젤 수율 및 품질이 저하됩니다. Hielscher 초음파 반응기는 에스테르 교환 교향 역학을 크게 향상시킵니다. 따라서 바이오디젤 공정에는 과잉 메탄올이 적고 촉매가 더 적습니다.
바이오디젤은 일반적으로 열과 기계적 혼합을 에너지 투입으로 사용하여 배치 반응기에서 생산됩니다. 초음파 캐비테이션 혼합은 상업용 바이오디젤 공정에서 더 나은 혼합을 달성하기 위한 효과적인 대안입니다. 초음파 캐비테이션은 산업용 바이오디젤 에스테르 교환에 필요한 활성화 에너지를 제공합니다.
초음파 혼합은 바이오 디젤 전환율을 향상시키고 수율을 높이며 과도한 메탄올과 촉매를 절약합니다.
초음파로 개선된 바이오디젤의 에스테르 교환(transesterification)
바이오디젤 생산은 일반적으로 에스테르교환(transesterification)이라는 화학 반응을 수반하며, 여기서 트리글리세라이드(예: 식물성 기름, 동물성 지방, 폐식용유)가 촉매의 존재 하에 알코올(예: 메탄올)과 반응하여 바이오디젤(지방산 메틸 에스테르) 및 글리세롤을 생성합니다. 초음파 반응기는 여러 가지 방법으로 에스테르 교환 과정을 향상시키는 데 사용할 수 있으며, 이는 다음과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다.
- 향상된 혼합: 초음파는 격렬하게 붕괴되는 캐비테이션 기포를 생성하여 반응 혼합물의 강렬한 혼합 및 교반을 유발할 수 있습니다. 이는 반응물과 촉매 사이의 더 나은 접촉으로 이어져 더 빠르고 더 완전한 에스테르 교환을 가능하게 합니다.
- 가속 반응 역학: 초음파에 의해 생성된 고에너지 조건은 반응을 활성화하여 반응 속도를 높이고 주어진 변환 수준에 도달하는 데 필요한 반응 시간을 줄일 수 있습니다. 이를 통해 수율을 높이고 비용을 절감할 수 있습니다.
- 촉매 사용량 감소: 초음파 반응기는 반응을 위한 보다 활동적인 부위를 제공함으로써 촉매 사용의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 동일한 수준의 전환을 달성하는 데 더 적은 촉매가 필요하여 비용과 환경 영향을 줄인다는 것을 의미합니다.
- 제품 품질 향상: 초음파 반응기는 유리 지방산 함량이 낮고 순도가 높으며 저온 유동 특성이 우수한 바이오디젤을 생산할 수 있습니다. 이는 원치 않는 부산물과 불순물의 형성을 최소화하는 개선된 혼합과 더 빠른 반응 역학 때문입니다.
초음파 바이오 디젤 처리의 이러한 장점은 초음파 반응기의 사용이 바이오 디젤 에스테르 교환의 효율성, 속도 및 품질을 크게 향상시키기 때문에 초음파 반응기 설정의 사용을 매우 경제적으로 만듭니다. 이것은 요약하면 초음파가 에스테르 교환을보다 경제적이고 환경 적으로 지속 가능한 과정으로 바꾼다는 것을 의미합니다.
기존 바이오디젤 혼합의 문제점: 배치 공정에서 기존의 에스테르화 반응은 속도가 느린 경향이 있으며 글리세린의 상 분리는 시간이 많이 걸리고 종종 5시간 이상이 걸립니다.
초음파 반응기는 바이오디젤 공정을 가속화하는 동시에 더 낮은 처리 비용으로 바이오디젤 수율과 품질을 높이는 데 도움이 됩니다!
산업용 초음파기 UIP2000hdT 플로우 셀 FC2T500k를 사용하여 인라인 바이오디젤 에스테르화 및 에스테르 교환을 수행할 수 있습니다.
초음파 바이오디젤 에스테르 교환의 장점
- 혼합 개선으로 인한 바이오디젤 수율 향상
- 바이오디젤 품질 향상
- 가장 열악한 오일도 공급 원료로 사용하십시오.
- 연속 인라인 처리
- 메탄올 감소
- 촉매 감소
- 고속 변환으로 인한 시간 절약
- 에너지 절약
- 간단하고 안전한 작동
- 견고성 및 낮은 유지 보수
- 고성능: 최대 부하에서 24/7 작동
"우리는 Hielscher의 장비와 서비스에 매우 만족했으며 미래의 모든 노력에 Hielscher 초음파 기술을 포함시킬 모든 의도를 가지고 있습니다."
토드 스티븐스(Todd Stephens), 털사 바이오 연료
바이오디젤 생산을 위한 초음파
바이오디젤은 종종 배치 반응기에서 생산됩니다. 초음파 바이오디젤 변환으로 연속 인라인 처리가 가능합니다. 초음파는 99 %를 초과하는 바이오 디젤 수율을 달성 할 수 있습니다. 초음파 반응기는 기존의 1-4 시간 배치 처리에서 30 초 미만으로 처리 시간을 단축합니다. 더 중요한 것은 초음파가 분리 시간을 5 시간에서 10 시간 (기존 교반 사용)에서 60 분 미만으로 줄인다는 것입니다. 초음파는 또한 캐비테이션의 존재 하에서 증가 된 화학 활성으로 인해 최대 50 %까지 필요한 촉매의 양을 줄이는 데 도움이됩니다. 초음파를 사용할 때 필요한 과도한 메탄올의 양도 줄어 듭니다. 또 다른 이점은 글리세린의 순도가 증가한다는 것입니다.
초음파 바이오 디젤 생산 단계별 :
- 식물성 기름 또는 동물성 지방은 메탄올(메틸 에스테르를 만드는) 또는 에탄올(에틸 에스테르를 만드는) 및 나트륨 또는 메톡시드 칼륨 또는 수산화물과 혼합됩니다
- 혼합물은 예를 들어 45도에서 65도 사이의 온도로 가열됩니다.
- 가열 된 혼합물은 5-15 초 동안 인라인으로 초음파 처리됩니다
- 글리세린은 원심분리기를 사용하여 탈락하거나 분리됩니다.
- 변환된 바이오디젤은 물로 세척합니다.
가장 일반적으로 초음파 처리는 공급 펌프와 플로우 셀 옆의 조정 가능한 배압 밸브를 사용하여 높은 압력 (1-3bar, 게이지 압력)에서 수행됩니다.
산업용 바이오 디젤 변환에는 많은 초음파 에너지가 필요하지 않습니다. 실제 에너지 요구량은 예를 들어 UIP1000hdT와 같은 1kW 초음파 프로세서를 사용하여 벤치 탑 규모로 결정할 수 있습니다. 이러한 벤치탑 임상시험의 모든 결과는 문제 없이 선형으로 확장할 수 있습니다. 필요한 경우 다음과 같은 ATEX 인증 초음파 장치를 사용할 수 있습니다. UIP1000-엑스드.
Hielscher는 전 세계적으로 산업용 초음파 바이오 디젤 가공 장비를 공급합니다. 단일 장치당 최대 16kW 전력의 초음파 프로세서를 사용하면 바이오디젤 플랜트 크기나 처리 용량에 제한이 없습니다.
초음파 바이오 디젤 제조 비용
초음파는 상업용 바이오 디젤 생산에서 반응 속도와 전환율을 높이는 효과적인 수단입니다. 초음파 처리 비용은 주로 초음파 장비, 유틸리티 비용 및 유지 보수에 대한 투자에서 발생합니다. Hielscher 초음파의 뛰어난 에너지 효율은 유틸리티 비용을 줄이고이를 통해이 과정을 더욱 친환경적으로 만드는 데 도움이됩니다. 초음파에 대한 결과 비용은 상업적 규모로 사용될 때 리터 당 0.1ct에서 1.0ct (0.4ct에서 1.9ct / gallon) 사이로 다양합니다.
초음파 바이오디젤 생산의 공정 효율성과 경제적 이점에 대해 자세히 알아보십시오!
초음파 혼합은 바이오 디젤 제조에서 유체 역학적 자기 혼합 및 고 전단 믹서보다 성능이 뛰어난 특정 에너지 소비를 줄입니다.
소규모 초음파 바이오디젤 설정
초음파는 모든 규모에서 오일을 바이오 디젤로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 아래 그림은 60-70L(16-19갤런) 처리를 위한 소규모 설정을 보여줍니다. 이것은 초기 연구 및 프로세스 시연을 위한 일반적인 설정입니다.
초음파 에스테르화 및 에스테르 교환은 배치 또는 연속 인라인 공정으로 실행할 수 있습니다. 이 차트는 바이오디젤 전환을 위한 초음파 배치 공정을 보여줍니다.
3hdT 모델의 1kW 초음파 발생기 1x 1000 매우 능률적인 biodiesel 변환을 위한 초음파 flow-through 반응기로 .
- 부스터, sonotrode 및 플로우 셀이있는 초음파 발생기 (예 : UIP500hdT 또는 UIP1000hdT)
- 전력 및 에너지 측정을 위한 파워 미터
- 80L 처리 탱크(플라스틱, 예: HDPE)
- 발열체 (1 to 2kW)
- 10L 촉매 프리믹스 탱크(플라스틱, 예: HDPE)
- 촉매 프리믹서(교반기)
- 펌프(원심분리기, 모노 또는 기어) 1 - 3barg에서 약 10 - 20L/min
- 플로우 셀(flow cell)의 압력을 조절하기 위한 배압 밸브
- 공급 압력을 측정하기 위한 압력계
우수한 바이오디젤 처리를 위한 초음파 반응기
Hielscher 초음파는 고성능 초음파 프로세서 및 반응기를 제공하여 바이오 디젤 수율 향상, 바이오 디젤 품질 향상, 처리 시간 단축 및 생산 비용 절감을 통해 바이오 디젤 생산을 향상시킵니다.
바이오디젤 에스테르 교환을 위한 중소 규모 초음파 반응기
최대 9ton / hr (2900 gal / hr)의 중소형 바이오 디젤 생산을 위해 Hielscher는 UIP500hdT (500 와트), UIP1000hdT (1000 와트), UIP1500hdT (1500 와트) 및 UIP2000hdT (2000 와트)를 안정적이고 효율적인 인라인 바이오 디젤 처리를위한 플로우 스루 반응기가있는 초음파 고 전단 믹서로 제공합니다. 이 4 개의 초음파 반응기는 매우 컴팩트하고 통합 또는 개조가 쉽습니다. 혹독한 환경에서 중부하 작업을 할 수 있도록 제작되었습니다. 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 (500 와트) |
0.25에서 0.5
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80에서 160
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| 1배 UIP1000hdT (1000 와트) |
0.5에서 1.0
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160에서 320
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| 1배 UIP1500hdT (1500 와트) |
0.75에서 1.5
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240에서 480
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| 1배 UIP2000hdT (2000 와트) |
1.0에서 2.0
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320에서 640
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| 2배 UIP2000hdT (2000 와트) |
2.0에서 4.0
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640 년에서 1280 년
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| 4배UIP1500hdT (1500 와트) |
3.0에서 6.0
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960 년에서 1920 년
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| 6배 UIP1500hdT (1500 와트) |
4.5에서 9.0
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1440 년에서 2880 년
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| 6배 UIP2000hdT (2000 와트) |
6.0에서 12.0
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1920 년에서 3840 년
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처리량이 매우 큰 산업용 바이오디젤 반응기
산업 가공 바이오 디젤 생산 공장의 경우 Hielscher는 UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) 및 UIP16000hdT (16kW) 초음파 균질화기를 제공합니다! 이 초음파 프로세서는 높은 유량의 연속 처리를 위해 설계되었습니다. UIP4000hdT, UIP6000hdT 및 UIP10000는 표준 해상화물 컨테이너에 통합 될 수 있습니다. 또는 4개의 프로세서 모델 모두 스테인리스 스틸 캐비닛에서 사용할 수 있습니다. 수직 설치에는 최소한의 공간이 필요합니다. 아래에서 일반적인 산업 가공 속도에 대한 권장 설정을 찾을 수 있습니다.
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톤/시간
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갤런/시간
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1배 UIP6000hdT (6000 와트) |
3.0에서 6.0
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960 년에서 1920 년
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|---|---|---|
| 3배 UIP4000hdT (4000 와트) |
6.0에서 12.0
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1920 년에서 3840 년
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| 5배 UIP4000hdT (4000 와트) |
10.0에서 20.0
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3200에서 6400
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3배 UIP6000hdT (6000 와트) |
9.0에서 18.0
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2880에서 5880
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| 3배 UIP10000(10,000와트) |
15.0에서 30.0
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4800에서 9600
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| 3배 UIP16000hdT (16,000 와트) |
24.0에서 48.0
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7680에서 15360
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| 5배 UIP16000hdT 님 |
40.0에서 80.0
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12800에서 25600
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문의! / 저희에게 물어보세요!
초음파기 UIP16000hdT 32MMGY 바이오디젤을 처리할 수 있습니다.
서리 & Sullivan 올해의 기술 혁신
Hielscher 초음파는 바이오 디젤 생산을위한 새로운 초음파 기술 개발을 인정 받아 권위있는 Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award를 수상했습니다.
Hielscher 초음파 바이오 디젤 반응기에 대한 Frost and Sullivan Award에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하십시오!
에스테르 교환 – 바이오디젤의 화학적 전환
식물성 기름(예: 대두, 카놀라유, 자트로파, 해바라기씨), 조류, 동물성 지방 및 폐식용유에서 바이오디젤을 제조하는 것은 지방산을 메탄올 또는 에탄올로 염기 촉매 에스테르 교환하여 해당 메틸 에스테르 또는 에틸 에스테르를 생성하는 과정을 포함합니다. 글리세린은 이 반응의 불가피한 부산물입니다.
동물성 지방으로서의 식물성 기름은 글리세린 분자에 의해 결합 된 3 개의 지방산 사슬로 구성된 트리글리세리드입니다. 트리글리세라이드는 에스테르입니다. 에스테르는 알코올과 결합 된 지방산과 같은 산입니다. 글리세린 (= 글리세롤)은 무거운 알코올입니다. 변환 과정에서 트리글리세라이드 에스테르는 촉매(잿물)와 알코올 시약(예: 메탄올)을 사용하여 알킬 에스테르(= 바이오디젤)로 전환되며, 이는 메틸 에스테르 바이오디젤을 생성합니다. 메탄올은 글리세린을 대체합니다. 이 화학적 변환 과정을 에스테르 교환(transesterification)이라고 합니다.
에스테르 교환 후, 더 무거운 단계인 글리세린은 바닥으로 가라앉습니다. 더 가벼운 단계인 바이오디젤은 위에 떠 있으며 디캔터 또는 원심분리기 등으로 분리할 수 있습니다.
바이오디젤 준비
수산화칼륨(0.2 - 0.4kg, 촉매)이 촉매 프리믹스 탱크에서 약 8.5L 메탄올로 용해되고 있습니다. 이를 위해서는 촉매 프리믹스의 교반이 필요합니다. 처리 탱크는 66L 식물성 기름으로 채워지고 있습니다. 기름은 발열체에 의해 45에서 65degC에 가열되고 있습니다.
바이오디젤 전환
촉매가 메탄올에 완전히 용해되면, 촉매 프리믹스가 가열된 오일과 혼합된다. 펌프는 혼합물을 플로우 셀로 공급합니다. 배압 밸브를 통해 압력은 1 - 3barg (15 - 45psig)로 조정됩니다. 초음파 바이오디젤 반응기를 통한 재순환은 약 20분 동안 수행해야 합니다. 이 기간 동안 오일은 바이오디젤로 전환됩니다. 그 후, 펌프와 초음파가 꺼집니다. 글리세린(더 무거운 단계)은 바이오디젤(더 가벼운 단계)에서 분리됩니다. 분리는 약 30분에서 60분 정도 걸립니다. 분리가 완료되면 글리세린을 배출할 수 있습니다.
바이오디젤 세척
변환된 바이오디젤에는 불순물이 포함되어 있으므로 세척이 필요합니다. 세척을 위해 물이 바이오 디젤에 혼합됩니다. 초음파는 바이오 디젤을 물과 혼합하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이렇게 하면 액적 크기 감소의 결과로 활성 표면적이 증가합니다. 매우 강렬한 초음파 처리는 물방울을 크기로 줄일 수 있으며, 거의 안정적인 에멀젼이 형성되고 있어 특별한 수단 (예 : 원심 분리기)을 분리해야한다는 점을 고려하십시오.
바이오디젤 제조 공장
아래 순서도는 바이오 디젤로의 전환을위한 오일, 메탄올 및 촉매의 인라인 초음파 처리를위한 일반적인 설정을 보여줍니다.
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.
연속 바이오디젤 처리 및 분리
연속 바이오디젤 처리 및 연속 분리를 위한 설정에서 가열된 오일과 촉매 프리믹스는 조정 가능한 펌프를 사용하여 연속적으로 혼합됩니다. 인라인 정적 혼합기는 초음파 반응기에 대한 공급의 균질성을 향상시킵니다. 오일/촉매 혼합물은 플로우 셀을 통과하여 약 5-30초 동안 초음파 캐비테이션에 노출됩니다. 배압 밸브는 플로우 셀의 압력을 제어하는 데 사용됩니다. 초음파 처리 된 혼합물은 상단의 반응기 컬럼으로 들어갑니다. 반응기 컬럼의 부피는 컬럼에서 약 1시간의 머무름 시간을 제공하도록 설계되었습니다. 그 시간 동안, 에스테르 교환 반응이 완료됩니다. 반응된 글리세린/바이오디젤 혼합물은 원심분리기로 펌핑되어 바이오디젤과 글리세린 분획으로 분리됩니다. 후처리에는 메탄올 회수, 세척 및 건조가 포함되며 연속적으로 수행할 수도 있습니다.
이 설정은 바이오디젤 반응기 배치, 기존 교반기 및 대형 분리기 탱크를 제거합니다.
바이오디젤 에스테르 교환 반응 속도
아래 다이어그램은 유채씨유(산업용 등급)와 메톡시드 나트륨(왼쪽) 및 수산화칼륨(오른쪽)을 사용한 에스테르 교환의 일반적인 결과를 보여줍니다. 두 테스트 모두에서 대조군 샘플(파란색 선)은 강렬한 기계적 혼합에 노출되었습니다. 빨간색 선은 부피 비율, 촉매 농도 및 온도에 대해 동일한 제형의 초음파 처리 된 샘플을 나타냅니다. 가로축은 각각 혼합 또는 초음파 처리 후의 시간을 보여줍니다. 세로축은 바닥에 가라앉은 글리세린의 부피를 보여줍니다. 이것은 반응 속도를 측정하는 간단한 방법입니다. 두 다이어그램 모두에서 초음파 처리 된 샘플 (빨간색)은 대조 샘플 (파란색)보다 훨씬 빠르게 반응합니다.
바이오디젤 생산을 위한 초음파(빨간색 그래프)와 기존 혼합(파란색 그래프)의 비교 – 메톡시드 나트륨 (왼쪽) 및 수산화 칼륨 (오른쪽)을 촉매로 사용.
바이오디젤 공급에 대한 링크
바이오디젤 산업을 위한 펌프 및 탱크 공급업체에 대한 링크를 보려면 여기를 클릭하십시오.
화학 물질 및 안전 정보
합병증과 건강에 악영향을 미치지 않도록 아래 정보를 주의 깊게 읽으십시오.
바이오디젤 화학물질
메탄올은 독성이 있습니다. 장기간 사용하면 신경 기능이 저하될 수 있습니다. 피부에도 흡착될 수 있습니다. 눈에 튀면 실명을 유발할 수 있으며 메탄올을 삼키면 치명적일 수 있습니다. 이러한 이유로 메탄올을 취급할 때 필요한 예방 조치를 취하십시오. 좋은 호흡기, 앞치마 및 고무 장갑을 사용하는 것이 좋습니다.
수산화칼륨(KOH)은 독성이 있으며 접촉 시 피부 화상을 일으킵니다. 좋은 환기가 필요합니다.
연기가 빠져나갈 수 있도록 작업 공간을 넉넉하고 철저하게 환기시켜야 합니다. 증기 카트리지 호흡기는 메탄올 연기에 효과적이지 않습니다. 공기 공급 시스템(SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus)는 메탄올 증기에 대한 더 나은 보호를 제공합니다.
바이오디젤 및 고무 부품
100% 바이오디젤로 장기간 작동하면 엔진의 젖은 고무 부품(펌프, 호스, O-링)에 문제가 발생할 수 있습니다. 강철 부품이나 견고한 고무로 교체하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 또는 합병증을 방지하기 위해 약 25%의 재래식(화석) 디젤을 바이오디젤에 혼합할 수 있습니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
- Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
- Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
- Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
- 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.
- Hamed Mootabadi, Babak Salamatinia, Subhash Bhatia, Ahmad Zuhairi Abdullah (2010): Ultrasonic-assisted biodiesel production process from palm oil using alkaline earth metal oxides as the heterogeneous catalysts. Fuel, Volume 89, Issue 8; 2010. 1818-1825.
