Диссертация (1150363), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Третьягруппа–водоросли, наиболееперспективное сырье, так как водоросли не требуют земельных ресурсов, могутиметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизведения[1-3]. Последняя, четвертая группа – альтернативное сырье, произведенное наземлях непригодных для сельского хозяйства и не требующее разрушениябиомассы. Примером такой технологии является производство алканов(основных компонентов моторного топлива) генетически модифицированнымцианобактериями в ходе фотосинтеза из углекислого газа [4].Самобиологическоетопливоразделяютнажидкое,твёрдоеигазообразное.
Примером твёрдого биологического топлива могут служитьдрова и топливные гранулы (пеллеты), которые получаются измельчением и9последующим спрессовыванием различного сырья [5]. Таким сырьём для нихмогут служить торф, древесина, древесные и сельскохозяйственные отходы.Кжидкимвидамбиологическоготопливаотносятсяспирты–биометанол, биоэтанол, биобутанол [6-8], которые синтезируют по реакцииброжения различных видов биомассы, в том числе и водорослей.
Из жировживотногоилирастительногопроисхожденияможнопореакциипереэтерификации получить биодизельное топливо [9]. В наши дни спирты ибиодизельное топливо активно используются в смесях с обычным дизельнымтопливом или бензином. Это приводит к тому, что не требуется существенноизменять конструкцию существующих двигателей, а в некоторых случаяхбиодизельное топливо применяют в чистом виде.Газообразным видом биологического топлива является биогаз (смесьметана и углекислого газа), получаемый путём метанового броженияорганических отходов. Нагреванием биомассы без доступа кислорода дотемпературы 500 – 800°C получают биоводород, который, кроме того, можнополучить и биохимическим методом с помощью различных бактерий илииспользуя водоросли [10].Наиболее перспективным и быстро развивающимся направлениемисследованийвобластиполучениябиологическоготопливаявляетсятехнология получения биодизельного топлива, которое обладает рядомсущественных преимуществ по сравнению с нефтепродуктами ископаемогопроисхождения:• Технологическая схема производства биодизельного топлива проще, чемпроизводства и очистки топлива нефтяного происхождения.• Весь выброшенный в атмосферу углекислый газ в ходе сгораниябиодизельного топлива будет поглощен растениями, из которых будетпроизводиться следующая партия топлива.• Содержание тяжелых металлов (ванадия и никеля), серы и фосфора вбиодизельном топливе на порядки меньше, чем в дизельном топливе10нефтяного происхождения, что приводит к уменьшению их выброса ватмосферу и продлению срока службы автомобильных катализаторов.• Высокие эксплуатационные свойства, такие как цетановое число (не меньше47-51) и высокая температура вспышки (150°С).• В процессе производства топлива растительного происхождения образуетсяеще один ценный продукт – глицерин, используемый для получениясинтетических моющих средств и жидкого мыла.• Биоразлагаемость биодизельного топлива.
Полный биологический распадбиодизельного топлива в естественных условиях (на суше или в воде)происходит в среднем за один месяц.Промышленное производство биодизельного топлива в основномосновано на реакции переэтерификации [11]. В общем виде реакциюпереэтерификациитриглицеридовжирныхкислотможнопредставитьследующим образом:Для проведения реакции переэтерификации используют триглицеридыжирных кислот, полученных из растительных или животных жиров, спирт (восновном метанол, этанол или изопропиловый спирт), который добавляется визбытке для смещения равновесия в сторону образования продукта иразличные катализаторы. В ходе реакции получаются соответствующиесложные эфиры и глицерин.11Используемые катализаторы можно разделить по двум критериям –химическойприродеифазовомусостоянию.Попервомупризнакукатализаторы делятся на кислотные [12-15], чаще всего это серная кислота,щелочные [16-20] – гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов иферментативные (липаза) [21].
Однако иногда используют и более дорогиекатализаторы, такие как Ta2O5 [22]. По фазовому состоянию катализаторыразделяют на гомогенные и гетерогенные соответственно. При использованииразличных катализаторов схемы производства биодизельного топлива так жепретерпевают изменения.
Так, при использовании щелочного катализа реакцияпротекает в среднем от 2х до 8 часов и не требует высокой температуры, а прииспользовании кислотного – до 24 часов и только при нагревании. Однако, привысоком содержании свободных жирных кислот в исходном сырье (>2,5%) иливоды, которая способна реагировать с триглицеридами с образованием жирныхкислот, использование щелочных катализаторов становится затруднительным всилу того, что в этих условиях происходит образование солей жирных кислот,что приводит к необходимости проведения более сложной процедуры ихудаления из конечного продукта. В таком случае сперва необходимо провестистадию перевода свободных жирных кислот в эфиры с применениемкислотного катализа, а затем реакцию переэтерификации в присутствиищелочей.Ферментативный катализ получения биологического топлива еще ненашел широкого применения в промышленности в силу того, что ферментынамного дороже используемых кислот и щелочей, однако он остается крайнеинтересным в связи с тем, что продукт, получаемый по такой схеме,получается намного чище и не требуется дополнительных стадий удаленияостатков катализатора из реакционной смеси.Гомогенный катализ реакции, который в настоящее время используется вбольшем числе промышленных установок удобен тем, что при таком способе вреакторе происходит двухфазная реакция, а при использовании гетерогенного– трехфазная, что отражается на скоростях завершения реакций.
Однако при12использовании гетерогенного катализа удаление катализатора технологическипроще, чем при использовании гомогенного.Кроме присутствия катализатора для ускорения процесса образованияэфиров используется ряд технологических вспомогательных средств. Такиеподходы, как применение ультразвука [23-30], который в некоторых случаяхпозволяет проводить реакцию вообще без нагревания или микроволновогоизлучения [31-39]. Так же разработаны технологии безкатализного получениябиодизельного топлива. Реакцию проводят между триглицеридами и спиртом всверхкритическом состоянии при температуре 300°С.
При этом реакцияпротекает в среднем от 20 до 50 минут и не требует применения катализаторов[40-41].После проведения реакции переэтерификации следует стадия отделенияэфиров жирных кислот от глицерина, который в большом количествеобразуется при всех условиях протекания реакции. Для удаления глицеринавыдерживают смесь для расслоения фаз или её центрифугируют [42]. Послеотделения от фазы глицерина биотопливо в основном загрязнено остаточнымкатализатором,водой,непрореагировавшимспиртомисвободнымглицерином. Как правило, для очистки продукта применяются три основныхподхода: отмывка водой, сухая сушка [43] и мембранные методы [44-45].Так как глицерин и спирты хорошо растворимы в воде, наиболеепростым является способ удаления примесей с помощью жидкостнойэкстракции в водную фазу. Этот способ также позволяет удалить остаточныенатриевые соли.
После удаления примесей в водную фазу продукт сушатиспользуя молекулярные сита, силикагели или Na2SO4 [46]. Другим способомочистки топлива является использование ионообменных смол [47]. Кроме того,разработан метод мембранной очистки биодизельного топлива, основанный наприменении полых волокон [48].Таким образом основными компонентами биотоплива, полученного пореакции переэтерификации, являются эфиры жирных кислот. В [49-51] былопоказано, что наиболее часто получаемое биотопливо состоит из эфиров13каприловой, каприновой, лауриновой, миристиновой, пальмитиновой истеариновой кислот не зависимо от способа получения и используемого сырья.Прекурсорами биологического топлива являются метиловый и этиловыйспирты, катализаторы (соединения Ca, Mg, Na, K и др.).
В состависпользуемого биологического сырья могут входить различные элементы (P,Si, S, металлы) [52], которые влияют на эксплуатационные и экологическиесвойства биологического топлива. Побочным продуктом синтеза являетсяглицерин и различные моно-, ди- и триглицериды [53].В табл. 1 представлены основные требования к химическому составубиодизельного топлива B 100, которые нашли отражения в соответствующихметодах его анализа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
