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Abschlussbericht: Synthese und Charakterisierung eines neuartigen festen sauren Katalysators zur verbesserten Nutzung von Altöl als Ausgangsmaterial für die Biodieselproduktion

EPA Grant Number: SU833513
Titel: Synthese und Charakterisierung eines neuartigen festen Säurekatalysators zur verbesserten Nutzung von Altöl als Rohstoff für die Biodieselproduktion
Investoren: Webster, H. Francis , Bean, Bryan B. , Fuhrer, Timothy J. , Estes, Christopher
Einrichtung: Universität Radford
EPA-Projektbeauftragter: Page, Angela
Phase: I
Projektzeitraum: 1. August 2008 bis 31. Juli 2010
Projektbetrag: $9.996
RFA: P3 Awards: Ein nationaler studentischer Design-Wettbewerb für Nachhaltigkeit mit Fokus auf Menschen, Wohlstand und den Planeten (2007) RFA Text | Empfängerlisten
Forschungskategorie: Vermeidung von Umweltverschmutzung/Nachhaltige Entwicklung , P3 Challenge Area – Chemical Safety , P3 Awards , Sustainable and Healthy Communities

Ziel:

Die Environmental Protection Agency und die American Chemical Society haben die gemeinsame Vision, chemische und technische Verfahren zu fördern und umzusetzen, die sicher für die Umwelt sind. Das Konzept der grünen Chemie begann in den frühen 1990er Jahren mit der Verabschiedung des Pollution Prevention Act als Versuch, gefährliche chemische Prozesse zu reduzieren. Die Bewegung der grünen Chemie wurde 1998 bekannt, als Paul Anastas und John Warner das Buch Green Chemistry: Theory and Practice“ veröffentlichten, in der sie 12 Grundsätze aufstellten, die jeder Chemiker, Ingenieur und jedes Unternehmen berücksichtigen sollte, ob im Labor oder in der Industrie. Der allgemeine Tenor dieser Grundsätze, auch wenn sie detailliert und einzigartig sind, lautet, dass Vorbeugung besser ist als Behandlung. Besonders relevant für unser P3-Projekt ist der fünfte Grundsatz, der die Verwendung chemischer Katalysatoren fördert, die durch ihre Verwendung in kleinen Mengen und ihre Fähigkeit, eine einzige Reaktion viele Male auszuführen, die Abfallmenge minimieren2.

Gleichzeitig mit der Bewegung für grüne Chemie wächst die Sorge um die Fähigkeit Amerikas, seinen Energiebedarf zu decken. Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, alternative Kraftstoffe zu erforschen und zu entwickeln, und Biodiesel, ein ungiftiger und kohlenstoffneutraler Kraftstoff, ist einer dieser alternativen Kraftstoffe. Biodiesel wird durch Umesterung hergestellt, eine Reaktion, bei der Triglyceride (tierisches Fett oder Pflanzenöl) in Gegenwart eines Katalysators mit Alkoholen kombiniert werden. Üblicherweise wird Biodiesel aus neuem Pflanzenöl hergestellt, das in der Regel aus Sojabohnen oder Raps gewonnen wird. Die Verwendung von nativem Qualitätsöl stellt jedoch eine Herausforderung für die Nachhaltigkeit dar, da wir diese Lebensmittelressourcen für die energetische Nutzung abzweigen. Dieses ethische Dilemma lässt sich durch die effizientere Nutzung von Altöl als Rohstoff vermeiden und kann eine Komponente in dem vielfältigen Portfolio alternativer Kraftstoffe sein, das zur Deckung unseres künftigen Energiebedarfs benötigt wird.

Ein Hindernis bei der Verwendung von Altöl für die Biodieselproduktion ist der hohe Gehalt an freien Fettsäuren (FFA), der häufig in Altöl zu finden ist. Dies kann bei den typischen basenkatalysierten Reaktionen zur Bildung von Seife führen. Daher müssen die FFA vor der Verarbeitung aus dem Altöl entfernt werden, was zu einer Reihe von zusätzlichen Verarbeitungsschritten führt, um dieses Abfallmaterial effizient zu nutzen. Die am häufigsten angewandte Methode zur Entfernung von FFA verwendet Schwefelsäure als Katalysator, um diese Säuren durch Veresterung zu entfernen. Dieser korrosive homogene (nicht feste) Katalysator muss jedoch anschließend durch Neutralisierung entfernt werden, was eine Reihe von Verarbeitungsschritten und Abfallströmen nach sich zieht. Eine bessere Methode wäre die Entwicklung eines heterogenen oder festen Katalysators für die Biodieselproduktion, der aus dem Reaktionsgemisch entfernt und wiederverwendet werden könnte.

Die Bedeutung der Entwicklung neuer heterogener Katalysatoren wurde kürzlich auf einem von der National Science Foundation gesponserten Workshop3 hervorgehoben. Experten auf dem Gebiet der Katalyse kamen zusammen, um den Stand der Katalysetechnologie im Zusammenhang mit der Nutzung biologisch erneuerbarer Energien zu erörtern. Um das angestrebte Ziel zu erreichen, biobasierte Ausgangsstoffe als Rohstoffe für die chemische Produktion zu nutzen, sind verstärkte Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet der Entwicklung fester Katalysatoren erforderlich. Im Falle von Biodiesel wurde die Entwicklung heterogener Katalysatoren für die Biodieselproduktion besonders hervorgehoben, um die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Produktion dieses Kraftstoffs zu gewährleisten.

Wie im P3-Phase-I-Antrag dargelegt, bestand unser Ziel darin, einen festen Säurekatalysator zu entwickeln, um die Nutzung von Altöl als Ausgangsmaterial für die Biodieselproduktion durch die Entfernung freier Fettsäuren durch Veresterung zu verbessern. Zwar sind mehrere kommerziell hergestellte feste saure Katalysatoren für Veresterungsreaktionen erhältlich (z. B. Amberlyst und Nafion), doch handelt es sich dabei um sehr teure synthetische Produkte auf Erdölbasis. Unser Katalysator wurde aus einer erneuerbaren Zuckerquelle entwickelt, ist kostengünstig und einfach herzustellen und wird voraussichtlich in der Synthese einer Reihe von industriell wichtigen Reaktionen, einschließlich Veresterung, Hydrolyse und Veretherung, Verwendung finden. Diese Vorteile könnten die Übernahme der Technologie nicht nur durch interessierte Unternehmen, sondern auch durch Einzelpersonen in der wachsenden Biodiesel-Gemeinschaft sowohl in den Industrieländern als auch in den Entwicklungsländern ermöglichen.

Zusammenfassung/Ergebnisse:

Kohlenstoffkatalysator-Synthese – Saccharose wurde direkt mit überschüssiger Schwefelsäure Schwefelsäure (9:1 mol/mol, 25°C) behandelt. Es bildete sich sofort ein Kohlenstoffschaum (fast 20fache Zunahme des Volumens). Der Schaum wurde dann gewaschen, bis kein Sulfat mehr nachweisbar war, getrocknet und auf unterschiedliche Partikelgrößen gesiebt. Der bei Raumtemperatur hergestellte Kohlenstoff wird als SCRT bezeichnet. Einige Proben wurden unter Stickstoff bei 155°C, 205°C und 255°C thermisch behandelt und werden als SC155, SC205 und SC255 bezeichnet.

Abbildung 1. Granulierter Kohlenstoff-Feststoffsäure-Katalysator.

Katalysator-Charakterisierung
Rasterelektronenmikroskopie (REM) – Die Proben wurden mittels REM analysiert, um die Oberflächentopologie zu charakterisieren. Abbildung 2 zeigt eine REM-Aufnahme der Kohlenstoffoberfläche bei geringer Vergrößerung, die eine relativ glatte Oberflächenstruktur zeigt. Das eingefügte Bild zeigt eine viel stärkere Vergrößerung und verdeutlicht das Vorhandensein einer schwammartigen Oberflächenstruktur. Da der Transport von Reaktanten und Produkten in und aus dem Katalysator der Schlüssel zu dessen Aktivität ist, ist die Feinabstimmung der Porenstruktur von größter Bedeutung. Die Oberflächenanalyse wurde durchgeführt und zeigt eine sehr geringe Oberfläche von weniger als 1 m2 /Gramm.

Abbildung 2. REM-Mikroskopische Aufnahme des Kohlenstoffs bei niedriger (5000x) und hoher (Insert; 500.000x) Vergrößerung.

Bestimmung der starken und schwachen Säurestellen – Damit ein Feststoff ein vielversprechender Kandidat für den Ersatz von Schwefelsäure bei der Veresterung freier Fettsäuren ist, muss er eine signifikante Anzahl von starken Säurekatalysatorstellen (Sulfonsäuregruppen) aufweisen. Von Interesse ist auch die Anzahl der schwachen Säuren, die das chemische Umfeld in der Nähe der aktiven Oberflächenstellen verändern können, was möglicherweise die katalytische Aktivität in Gegenwart von Wasser verbessern könnte. Die Anzahl der starken Säuren in unserem Kohlenstoffkatalysator wurde durch die Bestimmung der Ionenaustauschkapazität (IEC) durch Messung der Menge an H+, die mit Na+ ausgetauscht wurde, bewertet. Die Kohlenstoffproben wurden über Nacht mit 2,0 M NaCl äquilibriert und dann mit 0,01 M NaOH titriert. Um das Vorhandensein sowohl von starken als auch von schwachen Säuren zu bestimmen, wurden die Proben mit einer Lösung einer starken Base behandelt, um mit allen Säuren zu reagieren, und dann mit einer 0,1 M HCl-Standardlösung zurücktitriert. Es wurde eine große Anzahl schwacher Säurestellen gefunden, die zwischen 6-7 mmol/g lagen. Die Anzahl der starken Säurestellen lag zwischen 0,8 und 1,2 mmol/g, was im Vergleich zu handelsüblichen festen sauren Katalysatoren günstig ist.

Röntgenphotoelektronenspektroskopie – Zur Bestimmung der chemischen Struktur der starken und schwachen Säurestellen an der Oberfläche wurden die Proben mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert. XPS ist eine Hochvakuumtechnik, bei der eine Oberfläche mit Röntgenstrahlen beschossen wird, wodurch Elektronen an der Oberfläche herausgeschleudert werden (Abbildung 3). Die Energie der Elektronen wird dann analysiert und mit der atomaren Zusammensetzung der Oberfläche in Beziehung gesetzt.

Abbildung 3. Röntgen-Photoelektronenspektroskopie

Die Ergebnisse zeigen, dass Sulfonsäuregruppen vorhanden sind, wie der Schwefel-Photopeak bei 168 eV zeigt (Abbildung 4). Andere funktionelle Oberflächengruppen, einschließlich Carbonsäuregruppen, wurden ebenfalls durch Untersuchung des Kohlenstoff-Photopeaks nachgewiesen. Die Analyse ergab hohe Oberflächenkonzentrationen von Carbonsäuregruppen (schwache Säuren) und sehr geringe Konzentrationen von Sulfonsäuregruppen (starke Säuren), was mit der IEC-Analyse übereinstimmt.

Abbildung 4. Typische XPS-Analyse, die funktionelle Kohlenstoff- und Schwefeloberflächengruppen zeigt.

Abbildung 5. Typische TGA-Ergebnisse, die den prozentualen Massenverlust in Abhängigkeit von der Temperatur (linke Achse) und die Geschwindigkeit des Massenverlustes (rechte Achse) zeigen.

Thermische Stabilität – Für eine maximale Wirksamkeit sollten Katalysatoren in der Lage sein, unter einer großen Bandbreite von Temperaturbedingungen zu arbeiten. Amberlyst, ein handelsüblicher fester Säurekatalysator, und andere Katalysatoren auf Polymerbasis können im Allgemeinen nicht bei höheren Temperaturen (>120°C) verwendet werden, da sie sich zersetzen. Daher wurde die thermogravimetrische Analyse (TGA) verwendet, um die thermische Stabilität unseres Kohlenstoffkatalysators zu bewerten. Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, setzte der Abbau bei Temperaturen von über 250 °C ein, was zeigt, dass unser Katalysator bei viel höheren Temperaturen eingesetzt werden kann, als dies bei vielen anderen Katalysatoren auf Polymerbasis der Fall ist. Die IEC-, XPS- und TGA-Ergebnisse für alle Kohlenstoffproben sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst:

1Ergebnisse in meq/g 2Mbaraka et al. J. Catal. (219) 2003 329

Computational Chemistry – Um die beste Leistung für ein katalytisches Material zu finden, muss derzeit eine große Anzahl von Materialkandidaten zeitaufwendig untersucht werden. Mit den den Chemikern heute zur Verfügung stehenden computergestützten Werkzeugen könnte die Vorhersage der katalytischen Aktivität durch die Modellierung der katalytischen Reaktion die Zeit- und Materialverschwendung verringern und ist ein Schlüsselelement auf dem Weg zu einer nachhaltigen Chemie. In dem Versuch, die Struktur und Funktion des Katalysators besser zu verstehen, begann die theoretische Untergruppe unseres P3-Teams mit der Modellierung der Struktur unseres Kohlenstoffkatalysators. Dies geschah durch die Optimierung einer hypothetischen Geometrie mit Hilfe der Softwarepakete Gaussian 03 und GaussView03. Die Kohlenstoffstruktur wurde auf der Grundlage einer in der Literatur gefundenen Geometrie für Kohlenstoff mit hinzugefügten SO3H-Gruppen modelliert, die als katalytisch funktionelle Gruppe dienen.4, 5 Auch die Funktionalität der Carbonsäure wurde einbezogen, wie die Analyse der XPS-Ergebnisse nahelegte. Die theoretischen Infrarotspektren befinden sich zwar noch im Anfangsstadium der Entwicklung, ermöglichten uns aber ein besseres Verständnis der für dieses Material erwarteten Absorptionsfrequenzen.

Abbildung 6. Vorgeschlagene Kohlenstoffkatalysatorstruktur

Katalysatorbewertung für chemische Aktivität – Die Katalysatoraktivität wurde anhand der Veresterung von Ölsäure mit Methanol bewertet. Das Reaktionsschema ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Veresterungsreaktion von Ölsäure mit Methanol in Gegenwart eines Katalysators zur Herstellung von Methylester (Biodiesel) und Wasser.

Ein Mehrkanal-Mikroreaktor wurde unter Verwendung eines speziell angefertigten Heizblocks gebaut, der an einem horizontalen Orbitalschüttler befestigt war. Die Fläschchen wurden mit Methanol und Ölsäure (Molverhältnis 10:1, Gesamtvolumen 4 ml) gefüllt und bei 65 °C ins Gleichgewicht gebracht, bevor die Reaktion durch Zugabe von 0,1 g des Kohlenstoffkatalysators gestartet wurde. Die Proben (25 μl) wurden 24 Stunden lang zu unterschiedlichen Zeiten aus den Fläschchen entnommen. Anschließend wurden die Proben mit Stickstoff gespült (65 °C), um Methanolreste aus der Probe zu entfernen. Die Proben (5 μl) wurden mit Hilfe der abgeschwächten Totalreflexions-Infrarotspektroskopie (ATR) auf ihren Ölsäure- und Methylestergehalt untersucht. Bei dieser neuartigen Technik wird nur sehr wenig Probe für die Analyse benötigt, und die Reinigung zwischen den Proben ist minimal. Die Analysezeit beträgt etwa eine Minute und ist viel schneller als herkömmliche Gaschromatographiemethoden.

Abbildung 8. Neunkanal-Mikroreaktor

Zwei Absorptionsbanden (1710 cm-1 und 1742 cm-1) wurden verwendet, um den Fortschritt der Veresterungsreaktion zu überwachen, und typische ATR-Ergebnisse sind in Abbildung 9 dargestellt. Der Peak bei 1710 cm-1 stellt die Carbonyl-Streckfrequenz für Ölsäure dar, und der Peak bei 1742 cm-1 ist auf die Streckfrequenz für den Fettsäuremethylester zurückzuführen. Abb. 9 zeigt ATR-Ergebnisse für frühe, mittlere und späte Reaktionszeiten und zeigt die Verschiebung von Säure zu Methylester. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technik sehr effektiv für die Überwachung der Reaktionskinetik ist.

Abbildung 9. ATR-Ergebnisse, die die Umwandlung von Fettsäure in Fettsäuremethylester zeigen.

Kohlenstoffkatalysatoren wurden bewertet und mit handelsüblichen Katalysatoren auf Polymerbasis (Amberlyst und Nafion) verglichen, und die Ergebnisse sind in Abbildung 10 dargestellt. Der bei 155 °C nachbehandelte Kohlenstoff schnitt besser ab als alle anderen Behandlungen und übertraf Amberlyst und Nafion deutlich. Bei der 255°C-Kohle wurde eine deutlich geringere katalytische Aktivität als bei den anderen getesteten Kohlenstoffproben festgestellt, was möglicherweise auf einen Abbau zurückzuführen ist und mit den TGA-Ergebnissen bei diesen Temperaturen übereinstimmt.

Abbildung 10. Prozentualer Umsatz in Abhängigkeit von der Zeit für die kinetischen Untersuchungen der Kohlenstoffkatalysatoren und der handelsüblichen festen sauren Katalysatoren.

Die Daten wurden an ein pseudohomogenes kinetisches Modell angepasst, das häufig für Veresterungsreaktionen verwendet wird, die durch Katalysatoren auf Polymerbasis katalysiert werden. Die Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion wurde bestimmt und ist in Abb. 10 dargestellt.

Entfernung von Fettsäuren mit einem Modell-Altölsystem – Das Hauptziel des Phase-I-Projekts war es, die Verwendung unseres festen sauren Kohlenstoffkatalysators auf seine Effizienz bei Veresterungsreaktionen und insbesondere bei der Entfernung von freien Fettsäuren (FFA) aus Altpflanzenöl zu untersuchen. Ein simuliertes Altölsystem wurde unter Verwendung von Pflanzenöl auf Sojabasis (ADM) und Ölsäure (zu 15 Gew.-%) entwickelt. Die Tests wurden unter Verwendung von überschüssigem Methanol bei 65°C mit einer Kohlenstoffbeladung von 12% (155-SC) durchgeführt, wobei das gesamte Reaktionsvolumen 2 – 4 Milliliter betrug. Zur Analyse wurden die Proben mit Stickstoff gespült, um das Methanol zu entfernen, und mit Standardmethoden titriert, um den Fettsäuregehalt zu bestimmen. Das Experiment wurde mit Amberlyst und Nafion wiederholt. Abbildung 11 zeigt den Gehalt an freien Fettsäuren in Abhängigkeit von der Zeit sowohl für den Kohlenstoff- als auch für den kommerziellen Katalysator. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kohlenstoffkatalysator bei der Entfernung freier Fettsäuren durch Veresterung sehr effizient ist und diese Entfernung bei moderaten Temperaturen und Umgebungsdruck erfolgen kann. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der Kohlenstoffkatalysator effektiver ist als die untersuchten handelsüblichen Katalysatoren auf Erdölbasis (Amberlyst und Nafion). Dies ist ziemlich beeindruckend, wenn man bedenkt, dass die Herstellung eines Katalysators aus einer vollständig erneuerbaren Ressource kostengünstiger und nachhaltiger ist.

Abbildung 11. Prozentsatz der entfernten Fettsäure im Vergleich zwischen dem Kohlenstoffkatalysator und handelsüblichen Katalysatoren auf Polymerbasis.

Integration von P3-Konzepten als Lehrmittel

Verbreitung – Ein wichtiger Bestandteil der Bemühungen unseres Teams war die Verbreitung unserer Erkenntnisse über die Entwicklung nachhaltiger Katalysatoren in der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft. Dank eines entsprechenden internen Zuschusses der Radford University (RU) konnten die Studenten im Frühjahr 2007 mit der P3-Forschung beginnen. Der frühe Erfolg des Projekts führte zu vier Präsentationen auf nationalen Tagungen im Zusammenhang mit dieser Arbeit:

S.R. Hash, C.S. Estes und H. F. Webster „Synthesis and Characterization of a Novel Solid Acid Catalyst for Improved Use of Waste Oil Feedstock for Biodiesel Production“ (Synthese und Charakterisierung eines neuartigen festen sauren Katalysators für eine verbesserte Nutzung von Altöl als Rohstoff für die Biodieselproduktion), 11th Green Chemistry & Engineering Conference, Washington D.C., Juni 2007 (Poster)

S.R. Hash, C.S. Estes und H. F. Webster „Synthesis and Characterization of a Novel Solid Acid Catalyst for Biodiesel Production“, 11th Green Chemistry & Engineering Conference, Washington D.C., Juni 2007 (Poster; Gewinner eines Reisestipendiums in Höhe von 1500 $ für das beste Poster)

S.R. Hash, C.S. Estes und H. F. Webster „Esterification of Fatty Acids using a Novel Solid Acid Carbon Catalyst“, 11th Green Chemistry & Engineering Conference, Washington D.C., Juni 2007 (mündlich)

S.R. Hash, C.S. Estes und H. F. Webster „Synthesis and characterization of a novel solid acid catalyst for improved biodiesel production“ (Synthese und Charakterisierung eines neuartigen festen sauren Katalysators für eine verbesserte Biodieselproduktion), 234th National ACS Meeting, Boston, August 2007 (mündlich)

Neben der Verbreitung unserer Forschungsergebnisse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft haben wir die Grundsätze der grünen Chemie und der Nachhaltigkeit sowohl in der lokalen Gemeinschaft als auch im Klassenzimmer propagiert. Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Umweltstudien der RU auf dem Clean Valley Summit in Roanoke, Virginia, am 2. November 2007 vorgestellt. In einer kurzen Präsentation wurde Highschool-Schülern die Bedeutung eines umweltfreundlichen wissenschaftlichen Ansatzes für den heutigen Energiebedarf erläutert. Ebenfalls im Herbst 2007 wurde eine Gruppe von Kindern (im Alter von 10 bis 13 Jahren) zu einem Biokraftstoff-Workshop nach RU eingeladen, um sich über die Bedeutung alternativer Kraftstoffe zu informieren und einen kurzen Überblick darüber zu erhalten, was Biodiesel ist und wie er hergestellt wird. Anschließend stellten sie mit Hilfe des P3-Teams im Labor Biodiesel her. Als sie fertig waren, gossen sie ihr Produkt direkt in den Tank eines Dieselfahrzeugs.

Abbildung 12. Workshop-Studenten bei der Herstellung von Biodiesel

Integriertes Labor – Als Teil des Lehrplans für Chemiestudenten müssen unsere Studenten einen integrierten Laborkurs (CHEM403:404) absolvieren, der Aspekte der traditionellen Chemiedisziplinen (organische, analytische, physikalische und anorganische Chemie) in einer forschungsähnlichen Umgebung kombiniert. Im Herbst 2007 wurden zwei Projekte in den Kurs aufgenommen, die die Grundsätze der grünen Chemie und insbesondere die Ergebnisse des P3-Projekts berücksichtigen. Im ersten Projekt untersuchten die Studenten die Möglichkeit, den in dieser Studie synthetisierten Kohlenstoffkatalysator zur Entfernung von Kupfer aus einer Lösung einzusetzen. In einem zweiten Projekt untersuchten die Schüler den Einsatz von heterogenen Katalysatoren, zu denen auch unser Kohlenstoff gehört, für die Umesterung von Methylacetat mit Butanol zur Herstellung von Butylacetat, einem wichtigen industriellen Lösungsmittel. Während die Untersuchung realer Forschungsprobleme ein wichtiger Teil dieses Kurses ist, wurden die Studenten auch in die Konzepte der heterogenen gegenüber der homogenen Katalyse, der grünen Chemie und der Rolle der Chemie bei der Lösung vieler Hindernisse für die Nachhaltigkeit eingeführt.

Schlussfolgerungen:

Das Ziel, ein Gleichgewicht zwischen den Elementen Mensch, Wohlstand und Planet herzustellen, war für die Dauer der Phase I der Forschung vorrangig. Ein preiswerter Kohlenstoffkatalysator für die Veresterung von Fettsäuren konnte leicht aus einem biologisch erneuerbaren Material hergestellt werden und erwies sich bei der Entfernung von Fettsäuren aus Altöl als wirksamer als synthetische Katalysatoren auf Erdölbasis. Während zur Herstellung des Katalysators zunächst Schwefelsäure benötigt wurde, die häufig als homogener Katalysator eingesetzt wird, kann durch die Möglichkeit der Wiederverwendung des festen Katalysators letztlich die Menge dieses korrosiven Materials reduziert werden. Dies ist insofern von Bedeutung, als der Biodieselprozess gestrafft werden kann, während gleichzeitig die Kosten und die Anzahl der Abfallströme reduziert werden. Die Produktionskosten sind ebenfalls niedrig, da der Ausgangsstoff (Zucker) leicht verfügbar und sehr preiswert ist. Die Herstellung eines Katalysators aus einem erneuerbaren Rohstoff steht im Einklang mit dem Streben nach Nachhaltigkeit, da wir uns von den heute in der Industrie verwendeten polymeren Katalysatoren auf Erdölbasis wegbewegen.

Das Projekt war zwar erfolgreich und das Team hat das Potenzial des Kohlenstoffkatalysators deutlich aufgezeigt, doch sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, um Kohlenstoff als potenziellen Ersatz für die derzeitige Technologie umfassend zu bewerten. Mehrere Schlüsselbereiche der Forschung wurden als notwendig identifiziert und werden im Folgenden skizziert:

• Ausführliche Tests zur Wiederverwendbarkeit des Katalysators müssen abgeschlossen werden.
• Ein anspruchsvollerer Reaktor ist erforderlich, um die optimalen Leistungsbedingungen zu untersuchen und die Möglichkeit zu prüfen, diesen Katalysator für die direkte Herstellung von Biodiesel durch eine Kombination von Veresterung und Umesterung zu verwenden.
• Vielversprechende Katalysatorkandidaten müssen in einem größeren Reaktor bewertet und unter realen Bedingungen mit geringen Wassermengen betrieben werden.
• Weitere rechnerische Arbeiten sind erforderlich, um die chemische Struktur des Katalysators und die Reaktionsdynamik zu verstehen.
• Das katalytische Potenzial unseres Kohlenstoffs für den Einsatz in anderen kommerziell wichtigen Reaktionen muss getestet werden.
• Das Potenzial für die Verlängerung des Lebenszyklus des Kohlenstoffkatalysators durch die Verwendung von „verbrauchtem“ Kohlenstoff als Adsorptionsmittel ähnlich wie Aktivkohle muss erforscht werden.

Während sich das Projekt in erster Linie auf die Laborchemie konzentrierte, konzentrierte sich die Gruppe durch die Beteiligung des Green Teams der RU auf die Rolle, die die Chemie bei der Erreichung der Nachhaltigkeit spielen muss. Themen der „grünen“ Chemie und der Nachhaltigkeit wurden zum ersten Mal in die Chemiekurse der RU aufgenommen, und es wurden Workshops abgehalten, um die Gemeinschaft in die Diskussion über Biokraftstoffe und alternative Energien einzubeziehen.

Der Erfolg unseres P3-Projekts wurde durch die Zusage der RU sichergestellt, das Projekt durch einen intern finanzierten Forschungsantrag zu finanzieren. Dies ermöglichte es dem Team, im Frühjahrssemester 2007 mit der Arbeit zu beginnen, bevor die Finanzierung der P3-Phase I anlief. Obwohl in diesem frühen Stadium der Entwicklung noch keine externen Partner gefunden wurden, dürften sich die verbesserte Leistung unseres Katalysators gegenüber der derzeitigen kommerziellen Technologie und die niedrigen Herstellungskosten auf der Grundlage erneuerbarer Biomaterialien als attraktive Alternative zu erdölbasierten Produkten erweisen.

1. http://www.biofuelsjournal.com/articles/Axens_Selected_for_100_000_Tons_Per_Year_Biodiesel_Plant_in_Malaysia-48479.html Ausstieg
2. https://www.epa.gov/green-chemistry
3. http://www.chem.uiowa.edu/research/sustainability/report.html Exit

Supplemental Keywords:

RFA, Wissenschaftliche Disziplin, Nachhaltige Industrie/Wirtschaft, POLLUTION PREVENTION, Umweltchemie, Nachhaltige Umwelt, Energie, Technologie für nachhaltige Umwelt, Umwelttechnik, Nachhaltige Entwicklung, Ökologische Nachhaltigkeit, Alternative Materialien, Biomasse, Energieeffizienz, Energietechnik, Alternativer Kraftstoff, Biodiesel, Alternative Energiequelle

Fortschritts- und Abschlussberichte:

Original Abstract