نوع مقاله : مقاله پژوهشی
تازه های تحقیق
در این پژوهش زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت فراوری شده و گروههای عاملی سولفاته بر روی آن بارگذاری شد. برای این منظور، فرآورش با سولفوریک اسید در غلظتهای 5/0، 1 و 2 مولار صورت گرفت. مشخصات ساختاری کاتالیستهای سنتز شده، توسط آنالیزهای XRD، SEM، FTIR، همدماهای جذب و دفع سطحی نیتروژن و نیز EDX dot mapping مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که پیکهای شاخص الگوی استاندارد XRD زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت در تمامی نمونههای سنتز شده، قابل مشاهده است. با افزایش غلظت سولفوریک اسید تا 1 مولار، ساختار بلوری زئولیت کلینوپتیلولیت حفظ شده است و در نمونه فراوری با غلظت 2 مولار، ساختار بلوری زئولیت دچار تخریب نسبی شد. لکن با افزایش غلظت سولفوریک اسید، ساختار بلوری زئولیت تا حدودی تحت تاثیر قرار میگیرد و در غلظت 2 مولار، کاهش در میزان بلورینگی زئولیت طبیعی قابل مشاهده است. مورفولوژی نمونههای سنتز شده تحت تأثیر افزودن سولفوریک اسید، تغییر محسوسی نداشتند. توزیع عناصر سیلیسیم، آلومینیوم و نیز گوگرد توسط آنالیز EDX dot mapping نشان میدهد که با افزودن غلظت سولفوریک اسید، عملکرد کاتالیستهای سنتز شده، در واکنش استریفیکاسیون اولئیک اسید مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که نمونه فراوری شده با سولفوریک اسید 1 مولار، بالاترین میزان تبدیل اولئیک اسید را ارائه میکند. علت این امر را میتوان به اثر هم افزایی گروههای عاملی سولفاتی و نیز حفظ ساختار بلوری زئولیت کلینوپتیلولیت نسبت داد.
موضوعات
عنوان مقاله English
نویسندگان English
A series of catalysts based on natural clinoptilolite zeolite were synthesized and characterized for biodiesel production through the esterification reaction of oleic acid. For this purpose, sulfur-containing functional groups were incorporated into the clinoptilolite framework through ion-exchange treatment with sulfuric acid solutions at concentrations of 0.5, 1, and 2 M. The structural properties of the synthesized catalysts were investigated using XRD, FESEM, EDX dot mapping, FTIR, as well as N2 adsorption–desorption isotherms. XRD patterns and FTIR spectra revealed that the crystallinity of clinoptilolite gradually decreased during sulfuric acid treatment, with a pronounced reduction observed for the sample modified with 2 M acid. N2 adsorption–desorption isotherms analysis demonstrated that the specific surface area of the sample treated with 1 M sulfuric acid increased by 45% compared to the raw zeolite. Furthermore, EDX dot mapping confirmed the homogeneous distribution of sulfur species across all modified samples. Catalytic performance evaluation in the esterification of oleic acid indicated that the incorporation of sulfur functionalities significantly enhanced catalytic activity, with the highest conversion of 70.6% achieved by the sample treated with 1 M sulfuric acid.
کلیدواژهها English
انرژی یکی از مهمترین منابعی است که انسان برای ادامهی زندگی روی زمین به آن نیاز دارد. در دهه گذشته تقاضای زیادی برای انرژی وجود داشته که از طریق منابع فراوان پتروشیمی تامین میشد. در چند دهه اخیر به دلیل کاهش منابع سوختهای فسیلی و نیز افزایش میزان انتشار گازهای گلخانهای، توجه جامعه جهانی به سمت توسعه سوختهای پاک و سبز، به عنوان جایگزین سوختهای دیزلی معطوف شده است. از میان سوختهایی که به عنوان سوخت جایگزین گازوئیل معرفی شدهاند، بیودیزل توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است [1]. بیودیزل یک سوخت فاقد گوگرد بوده و با ویژگیهای قابل توجهی نظیر تجدیدپذیری و زیست تخریبپذیری جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی است. ساختار شیمیایی بیودیزل شامل مونوآلکیلاسترهای اسیدهای چرب زنجیرهبلند است که از واکنش ترانساستریفیکاسیون یا استریفیکاسیون تولید میشود. این ساختار منجر به خواصی نظیر زیستتخریبپذیری بالا، غیرسمی بودن، نقطه اشتعال زیاد، روانکاری مطلوب و نبود گوگرد در ترکیب سوخت میشود [2]. از منظر احتراقی، عدد ستان بالا یکی از ویژگیهای کلیدی بیودیزل است. عدد ستان بالا منجر به احتراق کاملتر، کاهش صدای موتور، کاهش تولید آلایندهها و افزایش راندمان حرارتی میشود. ویژگیهای دمایی بیودیزل، شامل نقطه ابری (Cloud Point) و نقطه ریزش(Pour Point) به درصد اسیدهای چرب اشباع و ساختار مولکولی استرها وابستهاند. یکی از دیگر ویژگیهای مهم، ویسکوزیته سینماتیکی است که نقش تعیینکنندهای در کیفیت پاشش سوخت و فرآیند احتراق دارد [2]. تمامی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی بیودیزل از قبیل ویسکوزیته، چگالی، نقطه اشتعال، عدد ستان، نقطه ابری و ریزش، همگی در محدوده استانداردهای ASTM D6751 و EN 14214 قرار دارند. این موضوع بیانگر آن است که بیودیزل تولیدشده نهتنها قابلیت استفاده مستقیم در موتورهای دیزلی را دارد، بلکه از لحاظ کیفیت، پایداری، عملکرد احتراقی و سازگاری زیستمحیطی نیز گزینهای مناسب و قابل اتکا محسوب میشود [2، 3]. از میان روشهای بکار گرفته شده برای تولید بیودیزل، روش ترانس استریفیکاسیون به دلیل سادگی و مقرون به صرفه بودن، بیشترین کاربرد را به خود اختصاص داده است. به دلیل نزدیک بودن مشخصات استرهای اسید چرب به دیزل، از واکنش ترانس استریفیکاسیون روغنهای گیاهی برای تولید بیودیزل استفاده میشود. در این روش بیودیزل از واکنش روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی با الکل در حضور کاتالیست تولید میشود [4]. در روش ترانساستریفیکاسیون، تریگلسیریدها در حضور یک کاتالیست با الکل واکنش میدهند و درنهایت مخلوطی از استرهای اسید چرب و گلیسرول ایجاد میشود. کاتالیستهای مختلفی از قبیل کاتالیستهای بر پایه اسپینل روی آلومینات و نیز منیزیم آلومینات برای تسهیل انجام واکنش ترانس استریفیکاسیون سنتز شده است [5، 6]. وجود اسیدهای چرب آزاد در خوراک مورد استفاده در فرایند ترانس استریفیکاسیون موجب اختلال در عملکرد کاتالیستهای قلیایی میشود. لذا بهره گیری از کاتالیستهای اسیدی به منظور انجام واکنش استری شدن و حذف اسیدهای چرب آزاد موجود در خوراک پیش از انجام واکنش ترانس استریفیکاسیون، مورد توجه محققان قرار گرفته است [7]. استفاده از کاتالیستهای همگن به دلیل مشکلات جداسازی کاتالیست پس از انجام واکنش، با محدودیتهای عملیاتی متعددی مواجه است. لذا رویکرد کنونی در تولید بیودیزل، استفاده از کاتالیستهای ناهمگن است. کاتالیستهای بر پایه عاملهای سولفاتی، از رایجترین کاتالیستهای ناهمگن مورد استفاده در واکنش استریفیکاسیون است [8-11].
زئولیتها به دلیل انتخابپذیری شکلی و ویژگی اسیدی در واکنش استری شدن نسبتاً فعال هستند. با اینحال، با افزایش اندازه منافذ و تغییر نسبت Si/Al، میتوان خواص کاتالیست را بهبود بخشید. علاوه بر این، زئولیتها میتوانند با یونهای فلزی مختلفی (مانند Na+،K+ ، Mg2+) که عمدتا دارای خاصیت قلیایی هستند، ترکیب شوند. واکنش استری شدن بسیار کند است و چندین روز طول میکشد تا در شرایط معمولی به تعادل برسد. لکن، کاتالیستهای نانوساختار میتوانند سرعت واکنش را به طور مؤثر افزایش دهند. استفاده از زئولیتهای طبیعی با ویژگیهای فیزیکی- شیمیایی مطلوب مانند جذب انتخابی، ماهیت غیر سمی، دسترسی بالا و هزینه پایین در محدوده وسیعی از کاربردهای کاتالیستی، تصفیه پساب، جداسازی گازها و نیز صنایع کشاورزی افزایش چشمگیری داشته است. در میان زئولیتهای طبیعی، کلینوپتیلولیت با فرمول ساده شده (Na,K)6Si30Al6O72·nH2O یکی از فراوانترین زئولیتها بوده و دارای ساختاری میکرومتخلخل پایدار است. ساختار این ماده دارای دو کانال 8 عضوی با ابعاد (Å 6/3×6/4 و Å 8/2×7/4) و یک کانال 10 عضوی با ابعاد (Å1/3×5/7) از حلقههای چهار وجهی است. به منظور استفاده بهینه از زئولیتهای طبیعی، میتوان ویژگیهای ساختاری آنها را با انجام عملیات اصلاحی مانند استخراج اسیدی، استفاده از مواد فعال سطحی، تبادل یونی با محلولهای قلیایی، استفاده از روشهای آبی-حرارتی و عملیات حرارتی، بهبود بخشید [12، 13]. این فراوریها موجب تغییر میزان تخلخل، افزایش سطح فعال، تغییر pH محیط و اثر بر یونها و میدان الکتریکی میشود [14]. آرمبروستر و همکارانش در سال 2001 نشان دادند که فرآوری زئولیت با اسید، منجر به اصلاح ساختارهای سیلیکاته با استفاده از تشکیل یک لایه غیر کریستالی Si و آزاد شدن Al میشود. میزان اسیدیته محلول، مدت زمان و دمای فرآیند، ساختار بلوری اولیه و ترکیب اجزا زئولیت میتواند تأثیر بسیار زیادی در خواص زئولیتهای فرآوری شده داشته باشد. در این راستا، میتوان با اصلاح اسیدی زئولیت کلینوپتیلولیت و ایجاد ساختارهای نانومتری، از این ماده در بسیاری از کاربردها مانند پایههای کاتالیستی بهره جست [12، 15]. این پژوهش با هدف تولید بیودیزل از طریق واکنش استریفیکاسیون اولئیک اسید صورت گرفته است. در همین راستا زئولیت طبیعی توسط سولفوریک اسید اصلاح شده و خواص ساختاری آن به کمک آنالیزهای XRD، همدماهای جذب و دفع نیتروژن، SEM و EDX dot mapping مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر این، عملکرد کاتالیستهای سنتز شده در واکنش استریفیکاسیون اولئیک اسید مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روشها
مواد
مواد اولیه مورد استفاده به جهت تولید نانوکاتالیست به روش اسید شویی شامل زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت (معادن سمنان)، سولفوریک اسید (Dr. Mojallali) و آب دیونیزه شده است. برای واکنش استریفیکاسیون از متانول (Merck) و نیز اولئیک اسید (Merck) استفاده شدهاست.
روش سنتز
فرایند سنتز کاتالیستها در شکل 1 نشان داده شده است. ابتدا محلول با غلظت معین سولفوریک اسید تهیه شده است. سپس زئولیت کلینوپتیلولیت با نسبت 3 گرم زئولیت در 100 میلی لیتر محلول اسید افزوده شد و در دمای ºC80 به مدت 4 ساعت در شرایط رفلاکس مخلوط شدهاست. پس از فیلتراسیون و شستشو، خشک کردن در دمای ºC110 به مدت 12 ساعت صورت گرفت. در نهایت نمونهها در دمای 300 درجه سلسیوس به مدت 4 ساعت کلسینه شدند. نمونههای سنتز شده بر اساس غلظتهای اسید 5/0، 1 و 2 مولار سولفوریک اسید، به ترتیب به صورت S-NZ(0.5M)، S-NZ(1M) و S-NZ(2M) نام گذاری شد. همچنین نمونه خام زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت به NZ نام گذاری شد.
Figure 1- Synthesis procedure of sulfuric acid treatment of clinoptilolite zeolite
شکل 1-روند فرآورش زئولیت کلینوپتیلولیت با سولفوریک اسید
تعیین مشخصات کاتالیستها
با توجه به اطلاعات طبقهبندی شده موجود، به آسانی میتوان نوع فازها و حتی میزان نسبی بلورینگی را از روی پیکهای تفرق تعیین کرد. در مقاله حاضر، آنالیز پراش اشعهی ایکس کاتالیستها توسط دستگاه XRD ساخت شرکت Bruker مدلD8 ADVANCE در محدوده 2θ بین 5 تا 80 درجه با استفاده از تشعشع CuKα انجام شده است. شناسایی محصولات تولیدی با مقایسهی نتایج حاصل از آنالیز XRD نمونههای حاصل با دادههای استاندارد JCPDS انجام شده است. مورفولوژی سطح و ساختار نمونه به وسیله آنالیز FESEM و دستگاه HITACH مدل S4160 و میزان توزیع عناصر تشکیل دهنده نمونهها نیز با استفاده از آنالیز EDX.Mapping و توسط دستگاه Scientific Instrument مدل Sirius SD بررسی شده است. آنالیز FTIR توسط دستگاه Perkin Elmer مدل 65 FTIR انجام شد. برای تعیین خواص بافتی نمونه از جمله مساحت سطح و حجم حفرات آنالیز جذب و دفع سطحی نیتروژن با دستگاه Bellsorp انجام شد.
ارزیابی عملکرد کاتالیست در فرایند استریفیکاسیون
برای انجام واکنش تولید بیودیزل از یک اتوکلاو استیل ضد زنگ با یک ظرف تفلون با ظرفیت 100 cm3 استفاده شد. شرایط عملیاتی واکنش 110 درجه سلسیوس، زمان واکنش 3 ساعت، نسبت مولی متانول به روغن1:12 و غلظت کاتالیست 3 درصد وزنی تعیین شد. بعد از اتمام واکنش، مخلوط حاصل توسط سانتریفیوژ جداسازی شد. مشاهده میشود که محصول نهایی از سه لایه تشکیل شده است. لایه بالایی بیودیزل و اولئیک اسید و متانول واکنش نداده، لایه میانی آب و لایه پایینی کاتالیست است. پس از جداسازی کاتالیست، به ترکیب محصولات، آب اضافه میشود و مجددا توسط سانتریفوژ جداسازی صورت میگیرد. محلول فوقانی در دمای 60 درجه سلسیوس قرار گرفت تا متانول تبخیر شود. این لایه جهت اندازهگیری فعالیت کاتالیستها با روش با تیتراسیون با محلول 1/0 مولار KOH مورد استفاده قرار گرفت. در این روش میزان اولئیک اسید در ابتدا (قبل از واکنش و به صورت خالص) و سپس بعد از اتمام واکنش مورد اندازهگیری قرار میگیرد و میزان تبدیل اولئیک اسید توسط رابطه زیر محاسبه میشود:
|
(1) |
FFA%=(Ai-At)/Ai*100 |