Polyolsynthese via ultrasone transesterificatie
Polyolen zijn synthetische esters die voornamelijk worden geproduceerd via een transesterificatie van triglyceriden uit plantaardige oliën of dierlijke vetten. Deze polyolen zijn grondstoffen voor de productie van polyurethans, biosmeermiddelen en andere chemicaliën. Ultrasoon geluid wordt gebruikt om transesterificatiereacties te verbeteren door intense schuifkrachten en thermische energie toe te passen. Ultrasoon geluid en de sonochemische effecten ervan leveren reactie-energie en helpen om de beperkingen van de massaoverdracht te overwinnen. Hierdoor verbetert sonificatie de snelheid, opbrengst en algehele efficiëntie van de omestering aanzienlijk.
Transesterificatie met ultrasone trillingen
Omesteringsreacties zijn een van de belangrijkste syntheseroutes en worden veel gebruikt als een effectieve techniek om plantaardige oliën om te zetten in vervangers voor aardolieproducten. Sonosynthese (ook wel sonochemische synthese genoemd, wat chemische synthese is die wordt bevorderd door krachtig ultrageluid) staat bekend om de gunstige effecten op zowel transesterificatie als andere chemische processen.
- Snelle conversie
- Volledigere reactie
- Minder katalysator
- Minder ongewenste bijproducten
- energiezuinig
- groene chemie
Duurzame synthese van polyolen uit plantaardige oliën met behulp van ultrageluid
Plantaardige vetzuren, d.w.z. plantaardige oliën, zijn een ruim beschikbare en hernieuwbare grondstof en kunnen worden gebruikt voor de bereiding van biogebaseerde polyolen en polyurethanen. De toepassing van ultrageluid creëert gunstige sonochemische effecten, die de katalytische reactie van transesterificatie aanzienlijk versnellen. Bovendien verhoogt sonicatie de opbrengst van gesynthetiseerde polyolen omdat de intense mengenergie van akoestische cavitatie de beperking van de massaoverdracht overwint. Het is bekend dat ultrasone omesteringsreacties efficiënt verlopen met minder alcohol en katalysator dan conventionele omesteringsreacties. Dit leidt tot een verbeterde algemene efficiëntie door ultrasoonbehandeling.
Ultrasone synthese van een biosmeermiddel op basis van penta-erytritolester
Pentaerytritolester kan efficiënt worden gesynthetiseerd uit raapzaadolie via een sonochemisch proces in twee stappen, zoals is aangetoond door het onderzoeksteam van Arumugam. In hun optimalisatiestudie gebruikten de onderzoekers de Hielscher ultrasoon UP400St (zie afbeelding links). In de eerste sonochemisch gestimuleerde transesterificatie wordt raapzaadolie met methanol tot methylester gereageerd. In de tweede transesterificatiestap reageert de methylester met xyleen en een katalysator tot pentaerytritolester. De onderzoeker richtte zich op de optimalisatie van ultrasone procesparameters om het rendement en de algehele efficiëntie van de pentaerytritolestersynthese onder ultrageluid te verbeteren. Een verbeterde opbrengst van 81,4% pentaerytritolester werd bereikt met een ultrasone puls van 15 seconden, een ultrasone amplitude van 60%, een katalysatorconcentratie van 1,5 wt% en een reactietemperatuur van 100°C. Voor kwaliteitscontrole werd de sonochemisch gesynthetiseerde pentaerytritolester vergeleken met synthetische compressorolie. Concluderend suggereert het onderzoek dat het ultrasoon gestimuleerde opeenvolgende transesterificatieproces een efficiënte methode is om het conventionele opeenvolgende transesterificatieproces te vervangen voor de synthese van biosmeermiddel op basis van pentaerytritolester. De belangrijkste voordelen van het ultrasone omesteringsproces zijn een hogere opbrengst van pentaerytritolester, een kortere reactietijd en aanzienlijk lagere reactietemperaturen. (vgl. Arumugam et al., 2019)
Acetaalesters afgeleid van pentanal via ultrasone synthese
Het onderzoeksteam van Kurniawan synthetiseerde drie van pentanal afgeleide acetaalesters via een sonochemische methode met behulp van de principes van groene chemie. Sonificatie werd gebruikt om twee chemische stappen te bevorderen:
- Verestering van 9,10-dihydroxyoctadecaanzuur
- Acetalyse van alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoaat
Om de esters van alkyl 9,10-dihydroxystearaat te produceren zijn twee stappen nodig en er werden opbrengsten van 67-85% verkregen. Voor het evalueren van de efficiëntie werd de sonochemische methode vergeleken met de conventionele refluxtechniek. Bovendien werden homogene en vaste zure katalysatoren, namelijk zwavelzuur (H2SO4), natuurlijk bentoniet en H-bentoniet, gebruikt om de invloed en efficiëntie van verschillende katalysatoren te bepalen. Het bleek dat sonochemische verestering van het zuur, gekatalyseerd door H-bentoniet, producten gaf met een rendement tot 70% in een 3 keer kortere reactietijd dan de refluxmethode, wat opmerkelijk is. De laatste acetalisatiestap met n-pentanal in aanwezigheid van H-bentoniet met ultrasoonbehandeling leverde drie van pentanal afgeleide dioxolaanderivaten op met een opbrengst van 69-85%, wat hoger is dan bij de conventionele methode. De refluxmethode vereiste een langere reactietijd dan de sonochemische methode, aangezien de ultrasone synthese slechts 10-30 minuten vereiste. Naast de aanzienlijk kortere reactietijd onder sonicatie werd een opmerkelijk rendement van elke ester verkregen met de sonochemische methode.
De onderzoeker berekende ook dat de energiebehoefte van de sonochemische reactie ongeveer 62 keer lager is dan die van de conventionele methode. Dit verlaagt de kosten en is milieuvriendelijk.
Onderzoek van de fysisch-chemische eigenschappen van elk product toonde aan dat methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoaat een potentieel nieuw biosmeermiddel is met de functionaliteiten om gewone smeermiddelen te vervangen. (cf. Kurniawan et al., 2021)
Transesterificatie van Pentaerythryl Esters met behulp van ultrageluid
Pentaerythrylesters kunnen worden verkregen uit plantaardige oliën zoals zonnebloem-, lijnzaad- en jatropha-olie. Het onderzoeksteam van Hashem demonstreerde de synthese van biogebaseerde smeermiddelen via een opeenvolgende base-gekatalyseerde transesterificatie met twee transesterificatiestappen. Ze toonden de haalbaarheid van de synthese aan met zonnebloem-, lijnzaad- en jatropha-olie. In de eerste stap werden de oliën omgezet in de overeenkomstige methylesters. In het tweede proces werden de methylesters omgezet in pentaerytrylesters door de werking van pentaerytritol, zoals weergegeven in het volgende schema: (vgl. Hashem et al., 2013)
De aanzienlijk reactiebevorderende effecten van ultrasoonbehandeling op transesterificatie zijn wetenschappelijk bewezen en worden al tientallen jaren industrieel toegepast. Het meest prominente voorbeeld van ultrasoon verbeterde omestering is de omzetting van oliën en vetten in vetzuurmethylester (FAME), bekend als biodiesel.
Lees meer over de ultrasone omestering van (afval)oliën en vetten tot biodiesel!
Ultrasone sondes en reactoren voor omestering en andere chemische synthesen
Hielscher Ultrasonics is uw specialist als het gaat om geavanceerde ultrasone apparatuur voor sonochemische reacties. Hielscher ontwerpt, produceert en distribueert krachtige ultrasone apparaten en accessoires zoals sondes (sonotroden), reactoren en flowcellen in elke maat en levert aan chemische laboratoria en chemische productiefaciliteiten op industriële schaal. Van compacte ultrasone apparaten voor laboratoria tot industriële ultrasone sondes en reactoren, Hielscher heeft het ideale ultrasone systeem voor uw proces. Met jarenlange ervaring in toepassingen zoals sonokatalyse en sonosynthese, zullen onze goed opgeleide medewerkers u de meest geschikte opstelling voor uw vereisten aanbevelen.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone systemen met een zeer hoge robuustheid die in staat zijn om intense ultrasone geluidsgolven te leveren. Alle Hielscher industriële ultrasone systemen kunnen namelijk zeer hoge amplitudes leveren in continubedrijf (24/7). De robuuste ultrasone systemen hebben bijna geen onderhoud nodig en zijn gebouwd om te draaien. Dit maakt Hielscher ultrasone apparatuur betrouwbaar voor zware toepassingen onder veeleisende omstandigheden. Er zijn ook speciale sonotrodes voor hoge temperaturen of zeer agressieve chemicaliën verkrijgbaar.
Hoogste kwaliteit – Ontworpen en gemaakt in Duitsland: Alle apparatuur wordt ontworpen en geproduceerd in ons hoofdkantoor in Duitsland. Voor levering aan de klant wordt elk ultrasoon apparaat zorgvuldig getest onder volledige belasting. We streven naar klanttevredenheid en onze productie is gestructureerd om te voldoen aan de hoogste kwaliteitsgarantie (bijv. ISO-certificering).
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
---|---|---|
1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Literatuur / Referenties
- Arumugam, S.; Chengareddy, P.; Tamilarasan, A.; Santhanam, V. (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.
- Hashem, Ahmed; Abou Elmagd, Wael; Salem, A.; El-Kasaby, M.; El-Nahas, A. (2013): Conversion of Some Vegetable Oils into Synthetic Lubricants via Two Successive Transesterifications. Energy Sources Part A 35(10); 2013.
- Kurniawan, Yehezkiel; Thomas, Kevin; Hendra, Jumina; Wahyuningsih, Tutik Dwi (2021): Green synthesis of alkyl 8-(2-butyl-5-octyl-1, 3-dioxolan-4-yl)octanoate derivatives as potential biolubricants from used frying oil. ScienceAsia 47, 2021.
- Wikipedia: Natural Oil Polyols
Wetenswaardigheden
Polyol synthese routes
Natuurlijke oliepolyolen (afgekort NOP's) of biopolyolen zijn polyolen afgeleid van plantaardige oliën. Er zijn verschillende chemische routes beschikbaar om biopolyolen te synthetiseren. Biopolyolen worden voornamelijk gebruikt als grondstof voor de productie van polyurethanen, maar worden ook gebruikt in de productie van andere producten zoals smeermiddelen, elastomeren, kleefstoffen, kunstleer en coatings.
Voor de synthese van polyolen uit plantaardige oliën zijn verschillende reactiemethoden beschikbaar, zoals epoxidatie, transamidisatie en transesterificatie. Zo kan polyol op basis van raapzaadolie worden gesynthetiseerd door gedeeltelijke epoxidatie van de dubbele bindingen in vetzuurketens en algehele opening van oxiranringen met behulp van diethyleenglycol. Transamidisatie en transesterificatie van esterbindingen van plantaardige triglyceriden kan worden uitgevoerd met behulp van respectievelijk diëthanolamine en triëthanolamine.