Alai

Loppuraportti: Synthesis and Characterization of a Novel Solid Acid Catalyst for Improved Use of Waste Oil Feedstock for Biodiesel Production

EPA Grant Number: SU833513
Title: Nimi: Uuden kiinteän happokatalyytin synteesi ja karakterisointi jäteöljyn raaka-aineen parempaa käyttöä varten biodieselin tuotannossa
Tutkijat: Webster, H. Francis , Bean, Bryan B. , Fuhrer, Timothy J. , Estes, Christopher
Institution: Radford University
EPA Project Officer: Page, Angela
Vaihe: I
Hankkeen kesto: Elokuun 1. päivästä 2008 heinäkuun 31. päivään 2010
Hankkeen määrä: $9,996
RFA: P3 Awards: A National Student Design Competition for Sustainability Focusing on People, Prosperity and the Planet (2007) RFA Text | Recipients Lists
Research Category: P3-palkinnot , Kestävät ja terveet yhteisöt

Tavoite:

Ympäristönsuojeluvirastolla ja American Chemical Societyn (American Chemical Society) on yhteinen näkemys ympäristön kannalta turvallisten kemian- ja tekniikan alan käytäntöjen edistämisestä ja toteuttamisesta. Vihreän kemian käsite sai alkunsa 1990-luvun alussa ympäristön pilaantumisen ehkäisemistä koskevan lain (Pollution Prevention Act) hyväksymisen myötä pyrkimyksenä vähentää vaarallisia kemikaaliprosesseja. Vihreän kemian liike tuli tunnetuksi vuonna 1998, kun Paul Anastas ja John Warner julkaisivat Green Chemistry: Theory and Practice (Teoria ja käytäntö), jossa hahmoteltiin 12 periaatetta, jotka jokaisen kemistin, insinöörin ja yrityksen olisi otettava huomioon joko laboratoriossa tai teollisuudessa. Vaikka nämä periaatteet ovatkin yksityiskohtaisia ja ainutlaatuisia, niiden yleisenä lähtökohtana on, että ennaltaehkäisy on parempi kuin hoito. P3-hankkeemme kannalta erityisen merkityksellinen on viides periaate, joka kannustaa käyttämään kemiallisia katalyyttejä, jotka minimoivat jätettä käyttämällä pieniä määriä ja kykenemällä suorittamaan yhden reaktion useita kertoja2.

Ympäristöystävällisen kemian liikkeen rinnalla on kasvava huoli Amerikan kyvystä täyttää energiantarpeensa. Tämä on saanut tutkijat tutkimaan ja kehittämään vaihtoehtoisia polttoaineita, ja biodiesel, myrkytön ja hiilineutraali polttoaine, on yksi näistä vaihtoehtoisista polttoaineista. Biodieseliä tuotetaan transesteröimällä eli reaktiolla, jossa triglyseridit (eläinrasva tai kasviöljy) yhdistetään alkoholeihin katalyytin läsnä ollessa. Biodieseliä valmistetaan yleensä uudesta kasviöljystä, joka on tyypillisesti peräisin soijapavuista tai rapsista, mutta neitseellisten laatuöljyjen käyttö on haaste kestävälle kehitykselle, koska käytämme näitä elintarvikeresursseja energiakäyttöön. Tämä eettinen dilemma voidaan välttää tehokkaammalla jäteöljyn käytöllä raaka-aineena, ja se voi olla yksi osa monipuolista vaihtoehtoista polttoainevalikoimaa, jota tarvitaan tulevaisuuden energiantarpeiden tyydyttämiseksi.

Yksi esteeksi jäteöljyn käyttämiselle biodieselin valmistukseen on jäteöljyn korkea vapaiden rasvahappojen (FFA) pitoisuus, jota jäteöljyssä usein esiintyy. Tämä voi johtaa saippuan muodostumiseen tyypillisten emäskatalysoitujen reaktioiden aikana. Tämän vuoksi FFA:t on poistettava jäteöljystä ennen käsittelyä, mikä johtaa useisiin ylimääräisiin käsittelyvaiheisiin tämän jätemateriaalin tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Yleisimmin käytetyssä poistomenetelmässä käytetään rikkihappoa katalysaattorina näiden happojen poistamiseksi esteröitymällä, mutta tämä syövyttävä homogeeninen (ei-kiinteä) katalyytti on sen jälkeen poistettava neutraloimalla, mikä aiheuttaa useita käsittelyvaiheita ja jätevirtoja. Parempi menetelmä olisi kehittää biodieselin tuotantoon heterogeeninen eli kiinteä katalyytti, joka voitaisiin poistaa reaktioseoksesta ja käyttää uudelleen.

Uusi heterogeenisten katalyyttien kehittämisen tärkeyttä korostettiin hiljattain National Science Foundationin rahoittamassa seminaarissa3. Katalyysialan asiantuntijat koottiin yhteen keskustelemaan katalyysiteknologian tilasta bio-uusiokäyttöön liittyen. Jotta saavutettaisiin toivottu tavoite biopohjaisten raaka-aineiden käyttämisestä kemian tuotannon raaka-aineina, yksi selkeä haaste on tarve lisätä tutkimustoimintaa kiinteiden katalyyttien kehittämisen alalla. Biodieselin osalta heterogeenisten katalyyttien kehittäminen biodieselin tuotantoa varten nostettiin erityisesti esiin tämän polttoaineen tuotannon taloudellisen kannattavuuden varmistamiseksi.

Kuten P3-vaiheen I ehdotuksessa esitettiin, tavoitteenamme oli kehittää kiinteä happokatalyytti, jolla parannetaan jäteöljyn käyttöä biodieselin tuotannon raaka-aineena poistamalla vapaat rasvahapot esteröimällä. Vaikka useita kaupallisesti tuotettuja kiinteitä happokatalyyttejä on helposti saatavilla esteröintireaktioissa käytettäväksi (esim. Amberlyst ja Nafion), ne ovat hyvin kalliita synteettisiä öljypohjaisia tuotteita. Katalyytti on kehitetty uusiutuvasta sokerilähteestä, se on edullinen ja yksinkertainen valmistaa, ja sitä odotetaan käytettävän useiden teollisesti tärkeiden reaktioiden synteesissä, kuten esteröinnissä, hydrolyysissä ja eetteröinnissä. Näiden etujen ansiosta teknologian voivat ottaa käyttöön kiinnostuneiden yritysten lisäksi myös yksityishenkilöt kasvavassa biodiesel-yhteisössä sekä kehittyneissä että kehittyvissä maissa.

Yhteenveto/saavutukset (tuotokset/tulokset):

Hiilikatalyytin synteesi – Sakkaroosia käsiteltiin suoraan ylimäärällä rikkihappoa rikkihappoa (9:1 mol/mol, 25 °C). Hiilivaahto (lähes 20-kertainen kasvu irtotilavuudessa) muodostui välittömästi. Tämän jälkeen vaahto pestiin, kunnes sulfaattia ei enää havaittu, kuivattiin ja seulottiin eri partikkelikokoihin. Huoneenlämmössä valmistettua hiiltä nimitetään SCRT:ksi. Hiilen lämpökäsittely suoritettiin joillekin näytteille typen alla 155 °C:ssa, 205 °C:ssa ja 255 °C:ssa, ja niitä nimitetään SC155, SC205 ja SC255.

Kuva 1. Rakeinen hiilen kiinteä happokatalyytti.

Katalyytin karakterisointi
Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) – Näytteet analysoitiin SEM:llä pintatopologian karakterisoimiseksi. Kuvassa 2 on SEM-mikroskooppikuva hiilen pinnasta pienellä suurennoksella, joka kuvaa suhteellisen sileää pintarakennetta. Sisäkuva on paljon suuremmalla suurennoksella, ja siinä näkyy selvästi sienimäinen pintarakenne. Koska reaktanttien ja tuotteiden kulkeutuminen katalysaattoriin ja katalysaattorista ulos on keskeistä katalysaattorin aktiivisuuden kannalta, huokosrakenteen hienosäätö on erittäin tärkeää. Pinta-ala-analyysi suoritettiin, ja se osoittaa hyvin alhaisen pinta-alan, alle 1 m2 /gramma.

Kuva 2. SEM-mikroskooppikuva hiilestä pienellä (5000x) ja suurella (insertti; 500 000x) suurennoksella.

Vahvojen ja heikkojen happokohtien määrittäminen – Jotta kiinteä aine olisi lupaava ehdokas korvaamaan rikkihappoa vapaiden rasvahappojen esteröinnissä, sillä on oltava merkittävä määrä vahvojen happojen katalyyttisiä kohtia (sulfonihapporyhmiä). Kiinnostavaa on myös heikkojen happojen määrä, jotka voivat muuttaa kemiallista ympäristöä aktiivisten pintakohtien lähellä, mikä voisi mahdollisesti parantaa katalyyttistä aktiivisuutta veden läsnä ollessa. Vahvojen happokohtien määrää hiilikatalyytissämme arvioitiin määrittämällä ioninvaihtokapasiteetti (IEC) mittaamalla Na+:n kanssa vaihdetun H+:n määrä. Hiilinäytteet tasapainotettiin 2,0 M NaCl:ssä yön yli ja titrattiin sitten 0,01 M NaOH:lla. Sekä vahvojen että heikkojen happokohtien esiintymisen määrittämiseksi näytteitä käsiteltiin vahvalla emäsliuoksella kaikkien kohtien reagoimiseksi, minkä jälkeen ne titrattiin uudelleen 0,1 M HCl-standardiliuoksella. Löydettiin suuri määrä heikkoja happokohtia, joiden määrä vaihteli välillä 6-7 mmol/g. Vahvojen happokohtien määrän todettiin vaihtelevan välillä 0,8-1,2 mmol/g, mikä on hyvä vertailukohta kaupallisiin kiinteisiin kiinteisiin happokatalyytteihin verrattuna.

Röntgenvaloelektronispektroskopia – Vahvojen ja heikkojen pintahappokohtien kemiallisen rakenteen määrittämiseksi näytteet analysoitiin röntgenvaloelektronispektroskopialla (XPS). XPS on korkean tyhjiön tekniikka, jossa pintaa pommitetaan röntgensäteillä, jolloin pinnalla olevat elektronit sinkoutuvat (kuva 3). Tämän jälkeen elektronien energia analysoidaan ja suhteutetaan pinnan atomikoostumukseen.

Kuva 3. Röntgenfotoelektronispektroskopia

Tulokset osoittivat, että sulfonihapporyhmiä oli läsnä, kuten 168 eV:n rikkifotopiikki osoittaa (kuva 4). Myös muita pinnan funktionaalisia ryhmiä, mukaan lukien karboksyylihapporyhmät, havaittiin hiilen fotopeakin tarkastelussa. Analyysi osoitti korkeita karboksyylihapporyhmien (heikkojen happojen) ja hyvin alhaisia sulfonihapporyhmien (vahvojen happojen) pitoisuuksia pinnalla, mikä vastaa IEC:n analyysiä.

Kuva 4. Tyypillinen XPS-analyysi, jossa näkyvät hiilen ja rikkihapon funktionaaliset ryhmät.

Kuva 5. Tyypilliset TGA-tulokset, jotka osoittavat prosentuaalisen massahäviön lämpötilan funktiona (vasen akseli) ja massahäviön nopeuden (oikea akseli).

Lämpötilakestävyys – Jotta katalyytit olisivat mahdollisimman tehokkaita, niiden pitäisi pystyä toimimaan monenlaisissa lämpötilaolosuhteissa. Amberlystia, kaupallisesti käytettyä kiinteää happokatalyyttiä, ja muita polymeeripohjaisia katalyyttejä ei yleensä voida käyttää korkeissa lämpötiloissa (>120 °C) hajoamisen vuoksi. Tämän vuoksi hiilikatalyytin lämpöstabiilisuutta arvioitiin termogravimetrisen analyysin (TGA) avulla. Kuten kuvasta 5 nähdään, hajoaminen alkoi yli 250 °C:n lämpötiloissa, mikä osoittaa, että katalyytti voi toimia paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin monet muut polymeeripohjaiset katalyytit. Kaikkien hiilinäytteiden IEC-, XPS- ja TGA-tulokset on tiivistetty alla olevaan taulukkoon 1:

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

Computational Chemistry – Tällä hetkellä katalyyttisen materiaalin parhaan suorituskyvyn löytäminen edellyttää aikaa vievää käytäntöä, jossa seulotaan suuria määriä materiaaliehdokkaita. Kemistien nykyisin käytettävissä olevilla laskennallisilla työkaluilla katalyyttisen aktiivisuuden ennustaminen katalyyttistä reaktiota mallintamalla voisi vähentää ajan ja materiaalin tuhlausta, ja se on keskeinen osa pyrkimystä kestävään kemiaan. Pyrkiessään ymmärtämään paremmin katalyytin rakennetta ja toimintaa P3-ryhmän teoreettinen alaryhmä aloitti hiilikatalyytin rakenteen mallintamisen. Tämä tehtiin optimoimalla hypoteettista geometriaa Gaussian 03- ja GaussView03-ohjelmistopakettien avulla. Hiilirakenne mallinnettiin kirjallisuudesta löytyvän hiilen geometrian mukaan, johon lisättiin SO3H-ryhmiä, jotka toimivat katalyyttisesti funktionaalisena ryhmänä.4, 5 Myös karboksyylihappofunktio otettiin mukaan, kuten XPS-tulosten analyysi ehdotti. Vaikka tuotetut teoreettiset infrapunaspektrit ovat vielä alkuvaiheessa, niiden avulla pystyttiin kuitenkin ymmärtämään paremmin tälle materiaalille odotettuja absorptiotaajuuksia.

Kuva 6. Ehdotettu hiilikatalyytin rakenne

Katalyytin kemiallisen aktiivisuuden arviointi – Katalyytin aktiivisuutta arvioitiin käyttäen öljyhapon esteröintiä metanolilla. Reaktiokaavio on esitetty kuvassa 7.

Kuva 7. Öljyhapon esteröintireaktio metanolin kanssa katalyytin läsnäollessa metyyliesterin (biodieselin) ja veden tuottamiseksi.

Monikanavainen mikroreaktori rakennettiin käyttäen mittatilaustyönä valmistettua lämmityslohkoa, joka oli kiinnitetty vaakasuoraan kiertorattaaseen. Injektiopullot täytettiin metanolilla ja öljyhapolla (moolisuhde 10:1, kokonaistilavuus 4 ml) ja niiden annettiin tasapainottua 65 °C:ssa ennen kuin reaktio käynnistettiin lisäämällä 0,1 g hiilikatalyyttiä. Näytteet (25 μl) otettiin injektiopulloista vaihtelevin väliajoin 24 tunnin ajan. Tämän jälkeen näytteet huuhdeltiin typellä (65 °C) metanolijäämien poistamiseksi näytteestä. Näytteistä (5 μl) tutkittiin öljyhappo- ja metyyliesteripitoisuudet heikennetyn kokonaisheijastuksen infrapunaspektroskopialla (ATR). Tämä uusi tekniikka vaatii hyvin vähän näytettä analyysiä varten, ja näytteiden välinen puhdistus on vähäistä. Analyysiaika on noin minuutti ja paljon nopeampi kuin perinteiset kaasukromatografiamenetelmät.

Kuva 8. Yhdeksänkanavainen mikroreaktori

Kahdella absorbanssikaistalla (1710 cm-1 ja 1742 cm-1) seurattiin esteröitymisreaktion etenemistä, ja tyypilliset ATR-tulokset on esitetty kuvassa 9. Piikki 1710 cm-1:ssä edustaa öljyhapon karbonyylivenytystaajuutta, ja piikki 1742 cm-1:ssä johtuu rasvahapon metyyliesterin venytystaajuudesta. Kuvassa 9 esitetään ATR-tulokset varhais-, keski- ja myöhäisreaktioajoilla, ja siinä näkyy siirtymä haposta metyyliesteriin. Tulokset osoittivat, että tekniikka oli erittäin tehokas reaktiokinetiikan seurannassa.

Kuva 9. ATR-tulokset, jotka osoittavat rasvahapon muuntumisen rasvahapon metyyliesteriksi.

Hiilikatalyyttejä arvioitiin ja verrattiin kaupallisiin polymeeripohjaisiin katalyytteihin (Amberlyst ja Nafion), ja tulokset on esitetty kuvassa 10. Hiili, joka jälkikäsiteltiin 155 °C:ssa, toimi paremmin kuin kaikki muut käsittelyt ja päihitti selvästi Amberlystin ja Nafionin. Hiilellä, jonka lämpötila oli 255 °C, todettiin olevan huomattavasti alhaisempi katalyyttinen aktiivisuus kuin muilla testatuilla hiilinäytteillä, mikä johtui mahdollisesti hajoamisesta, mikä on sopusoinnussa TGA-tulosten kanssa näissä lämpötiloissa.

Kuva 10. Prosenttikonversio ajan funktiona hiilikatalyyttien ja kaupallisten kiinteiden happokatalyyttien kineettisissä tutkimuksissa.

Data sovitettiin pseudohomogeeniseen kineettiseen malliin, jota käytetään usein polymeeripohjaisten katalyyttien katalysoimiin esteröintireaktioihin. Reaktion alkunopeus määritettiin, ja se on esitetty kuvassa 10.

Rasvahappojen poisto jäteöljymallijärjestelmän avulla – Vaiheen I hankkeen ensisijaisena tavoitteena oli tutkia kiinteän happohiilikatalyytin käyttöä tehokkuuden varmistamiseksi esteröintireaktioissa ja erityisesti vapaiden rasvahappojen (FFA) poistamiseksi jätekasviöljystä. Simuloitu jäteöljyjärjestelmä suunniteltiin käyttäen soijapohjaista kasviöljyä (ADM) ja öljyhappoa (15 painoprosenttia). Testeissä käytettiin ylimääräistä metanolia 65 °C:n lämpötilassa, hiilikuormitus oli 12 % (155-SC) ja reaktion kokonaistilavuus oli 2-4 millilitraa. Analyysiä varten näytteet puhdistettiin typellä metanolin poistamiseksi ja titrattiin vakiomenetelmillä rasvahappopitoisuuden määrittämiseksi. Koe toistettiin Amberlystillä ja Nafionilla. Kuvassa 11 esitetään vapaiden rasvahappojen pitoisuuden kuvaaja ajan funktiona sekä hiilikatalyyttien että kaupallisten katalyyttien osalta. Tulokset osoittavat, että hiilikatalyytti on erittäin tehokas poistamaan vapaita rasvahappoja esteröimällä, ja tämä poisto voi tapahtua kohtalaisissa lämpötiloissa ja ympäristön paineessa. Tulokset osoittavat myös, että hiilikatalyytti toimii tehokkaammin kuin tutkitut tavanomaiset öljypohjaiset kaupalliset katalyytit (Amberlyst ja Nafion). Tämä on varsin vaikuttavaa, kun otetaan huomioon alhaisemmat kustannukset ja kestävämpi tapa valmistaa katalyytti täysin uusiutuvasta luonnonvarasta.

Kuva 11. Poistetun rasvahapon prosenttiosuus verrattaessa hiilikatalysaattoria kaupallisiin polymeeripohjaisiin katalyytteihin.

P3-konseptien sisällyttäminen opetusvälineeksi

Tiedon levittäminen – Ryhmämme ponnistelujen tärkeimpänä osana on ollut kestävään katalyytinkehitykseen liittyvien havaintojemme levittäminen laajemmalle tiedeyhteisölle. Radfordin yliopiston (RU) vastaavan sisäisen apurahan avulla opiskelijat pystyivät aloittamaan P3-tutkimuksen keväällä 2007. Hankkeen alkuvaiheen menestys johti neljän tähän työhön liittyvän esityksen pitämiseen kansallisissa kokouksissa:

S.R. Hash, C.S. Estes ja H. F. Webster ”Synthesis and Characterization of a Novel Solid Acid Catalyst for Improved Use of Waste Oil Feedstock for Biodiesel Production” (Synteesi ja karakterisointi uudesta kiinteästä happokatalysaattorista jäteöljyn raaka-aineen parempaa käyttöä varten biodieselin tuotantoa varten), 11. Vihreän kemian & insinööritieteiden konferenssi (11th Green Chemistry & Engineering Conference), Washington, D.C., Kesäkuu 2007 (posteri)

S.R. Hash, C.S. Estes ja H. F. Webster ”Synthesis and Characterization of a Novel Solid Acid Catalyst for Biodiesel Production” (Uuden kiinteän happokatalyytin synteesi ja karakterisointi biodieselin tuotantoa varten), 11th Green Chemistry & Engineering Conference, Washington D.C., Kesäkuu 2007 (posteri; voitti 1500 dollarin matka-apurahan parhaasta posterista)

S.R. Hash, C.S. Estes ja H. F. Webster ”Esterification of Fatty Acids using a Novel Solid Acid Carbon Catalyst (Rasvahappojen esteröinti käyttäen uutta kiinteää happokatalyyttiä)”, 11th Green Chemistry & Engineering Conference, Washington D.C., Kesäkuu 2007 (suullinen)

S.R. Hash, C.S. Estes ja H. F. Webster ”Synthesis and characterization of a novel solid acid catalyst for improved biodiesel production”, 234th National ACS Meeting, Boston, August, 2007 (suullinen)

Tutkimuksemme tiedeyhteisölle suuntautuvan levittämisen lisäksi olemme puolustaneet vihreän kemian ja kestävän kehityksen periaatteita sekä paikallisessa yhteisössämme että luokassa. Tämä tutkimus esiteltiin yhdessä RU:n ympäristötutkimuskeskuksen kanssa Clean Valley Summit -huippukokouksessa Roanokessa, Virginiassa 2. marraskuuta 2007. Lukiolaisille pidettiin lyhyt esitelmä siitä, miten tärkeää on käyttää ympäristön kannalta vastuullista tieteellistä lähestymistapaa nykypäivän energiatarpeisiin. Lisäksi syksyllä 2007 ryhmä lapsia (10-13-vuotiaita) kutsuttiin RU:lle biopolttoainetyöpajaan, jossa he saivat tietoa vaihtoehtoisten polttoaineiden merkityksestä ja saivat lyhyen yleiskatsauksen siitä, mitä biodiesel on ja miten sitä valmistetaan. Sen jälkeen he valmistivat biodieseliä laboratoriossa P3-ryhmän avustuksella. Valmistuttuaan he kaatoivat tuotteensa suoraan dieselauton tankkiin.

Kuva 12. Työpajaopiskelijat valmistavatbiodieseliä

Integroitu laboratorio – Osana kemian pääaineopiskelijoiden opetussuunnitelmaa laitoksemme edellyttää opiskelijoilta integroitua laboratoriokurssia (CHEM403:404), jossa yhdistetään perinteisten kemian tieteenalojen (orgaaninen, analyyttinen, fysikaalinen ja epäorgaaninen) osa-alueet tutkimustyyppisessä ympäristössä. Syksyllä 2007 kurssille sisällytettiin kaksi hanketta, jotka sisälsivät vihreän kemian periaatteita ja erityisesti P3-hankkeen tuloksia. Ensimmäisessä hankkeessa opiskelijat tutkivat mahdollisuutta käyttää tässä tutkimuksessa syntetisoitua hiilikatalyyttiä kuparin poistamiseen liuoksesta. Toisessa hankkeessa opiskelijat tutkivat heterogeenisten katalyyttien, mukaan luettuna meidän hiilemme, käyttöä metyyliasetaatin ja butanolin transesteröinnissä butyyliasetaatin tuottamiseksi, joka on tärkeä teollinen liuotin. Vaikka todellisten tutkimusongelmien tutkiminen on tärkeä osa tätä kurssia, opiskelijat tutustuivat myös heterogeenisen ja homogeenisen katalyysin käsitteisiin, vihreään kemiaan ja kemian rooliin monien kestävän kehityksen esteiden ratkaisemisessa.

Johtopäätökset:

Tavoite tasapainottaa ihmisten, vaurauden ja planeetan osatekijät oli ensiarvoisen tärkeä I-vaiheen tutkimuksen aikana. Edullinen hiilikatalyytti rasvahappojen esteröintiä varten valmistettiin helposti biologisesti uusiutuvasta materiaalista, ja sen osoitettiin olevan tehokkaampi rasvahappojen poistossa jäteöljystä kuin synteettiset öljypohjaiset katalyytit. Vaikka katalyytin valmistamiseen tarvittiin aluksi rikkihappoa, jota käytetään usein homogeenisena katalyyttinä, kiinteän katalyytin mahdollinen uudelleenkäyttö vähentää lopulta tämän syövyttävän aineen käyttöä. Tämä on sikäli merkittävää, että sen ansiosta biodieselprosessia voidaan virtaviivaistaa ja samalla vähentää kustannuksia ja jätevirtojen määrää. Tuotantokustannukset ovat myös alhaiset, koska lähtöaine (sokeri) on helposti saatavilla ja erittäin edullinen. Katalyytin tuottaminen uusiutuvasta raaka-aineesta on sopusoinnussa kestävään kehitykseen tähtäävän pyrkimyksen kanssa, kun siirrymme pois teollisuudessa nykyisin käytetyistä öljypohjaisista polymeerikatalyytteistä.

Vaikka hanke oli menestyksekäs ja työryhmä osoitti selvästi hiilikatalyytin potentiaalin, lisätutkimus- ja kehitystyön tarve on olennaisen tärkeä, jotta voidaan täysin arvioida, voiko hiili korvata mahdollisesti nykyistä teknologiaa. Useat keskeiset tutkimusalueet todettiin tarpeellisiksi, ja ne esitetään seuraavassa:

• Katalyytin uudelleenkäytettävyyttä koskevat laajat testit on saatettava päätökseen.
• Tarvitaan kehittyneempi reaktori optimaalisten suoritusolosuhteiden tutkimiseksi ja sen selvittämiseksi, voitaisiinko tätä katalyyttiä käyttää biodieselin suoraan tuotantoon esteröinnin ja transesteröinnin yhdistelmällä.
• Lupaavia katalyytti-ehdokkaita on arvioitava suuremmassa mittakaavassa olevassa reaktorissa, ja niitä on ajettava todellisissa olosuhteissa, jotka sisältävät pieniä määriä vettä.
• Lisäistä laskennallista työtä tarvitaan katalyytin kemiallisen rakenteen ja reaktion dynamiikan ymmärtämiseksi.
• Hiilemme katalyyttisen potentiaalin testaaminen käytettäväksi muissa kaupallisesti tärkeissä reaktioissa on tarpeen.
• Potentiaalia hiilikatalyytin elinkaaren pidentämiseksi käyttämällä ”käytettyä” hiiltä aktiivihiilen kaltaisena adsorbenttina on tutkittava.

Hankkeessa keskityttiin ensisijaisesti penkkikemiaan, mutta RU:n vihreän tiimin osallistuminen piti ryhmän keskittyneenä siihen rooliin, joka kemialla on oltava kestävän kehityksen saavuttamisessa. ”Vihreän” kemian ja kestävän kehityksen aiheet sisällytettiin ensimmäistä kertaa myös RU:n kemian kursseille, ja työpajoja järjestettiin yhteisön osallistamiseksi keskusteluun biopolttoaineista ja vaihtoehtoisista energialähteistä.

P3-hankkeemme onnistumisen varmisti se, että RU sitoutui myöntämään hankkeelle vastinrahaa sisäisesti rahoitetun tutkimusehdotuksen kautta. Näin ryhmä pystyi aloittamaan työn kevätlukukaudella 2007 ennen P3-vaiheen I rahoituksen saapumista. Vaikka ulkoisia yhteistyökumppaneita ei ole löydetty tässä varhaisessa kehitysvaiheessa, katalysaattorimme parempi suorituskyky verrattuna nykyiseen kaupalliseen teknologiaan ja alhaiset valmistuskustannukset, jotka perustuvat uusiutuviin biomateriaaleihin, osoittautunevat houkuttelevaksi vaihtoehdoksi öljypohjaisille tuotteille.

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

Supplemental Keywords:

RFA, Tieteenala, Kestävä teollisuus/liiketoiminta, POLLUTION PREVENTION, Ympäristökemia, Kestävä ympäristö, Energia, Kestävän ympäristön teknologia, Ympäristötekniikka, Kestävä kehitys, ympäristön kestävyys, Vaihtoehtoiset materiaalit, Biomassa, Energiatehokkuus, Energiateknologia, Vaihtoehtoiset polttoaineet, Biodiesel-polttoaine, Vaihtoehtoinen energialähde

Progress- ja loppuraportit:

Alkuperäinen abstrakti
.