Утилізація відпрацьованих олій як перспективний метод виробництва дизельного біопалива
DOI:
https://doi.org/10.31548/humanhealth.3.2024.34Ключові слова:
біодизель, переестерифікація, естерифікація, відновлювальні джерела енергії, очищення олій, екологічна безпекаАнотація
Стаття присвячена удосконаленню технології виробництва дизельного біопалива з відпрацьованих олій, які є значним джерелом забруднення навколишнього середовища. Забруднення довкілля є однією з найбільших екологічних проблем сучасності. Відпрацьовані олії, що не утилізуються належним чином, спричиняють серйозні екологічні проблеми, зокрема забруднення водних ресурсів та ґрунтів. Використання відпрацьованих олій для виробництва біопалива є перспективною технологією, що дозволяє знизити обсяги забруднення та зменшити залежність від викопних видів палива. Дизельне біопаливо з відпрацьованих олій має суттєві екологічні, економічні та стійкі переваги. Основною метою статті є детальний аналіз сучасних технологій виробництва дизельного біопалива з відпрацьованих олій та оцінка їх удосконалень і впливу на екологію, економіку та суспільство. У статті розглянуто інноваційні підходи до переробки відпрацьованих олій, їх очищення та підготовки для подальшого використання. Проведено, аналіз основних методів переестерифікації, гідрогенізації, естерифікації та ферментного каталізу, а також новітні технології, такі як ультразвукова та мікрохвильова інтенсифікація виробництва біопалива. Запропоновано нові технологічні рішення для попередньої підготовки відпрацьованих олій з високим вмістом вільних жирних кислот з використанням комбінації кислотних каталізаторів та розроблено технологічна схема повного циклу виробництва. Визначено раціональні параметри роботи обладнання для попередньої підготовки відпрацьованих олій з високим вмістом вільних жирних кислот. Рекомендовані умови включають: температура гідрування не вище 80°С, тривалість процесу не менше 40 хвилин; відділення водно-білкової частини шляхом центрифугування при частоті обертання ротора центрифуги 3000 об/хв протягом 20 хвилин; температура реакції естерифікації не більше 60°С; молярне співвідношення спирту до олії 9:1; концентрація кислотного каталізатора у межах 1-15%; інтенсивність перемішування в реакторі 31,42 с-1; тривалість процесу не менше 120 хвилин.
Встановлено, що для реакції переестерифікації доцільно застосовувати гідроксид калію. Застосування гідроокису калію вигідне, тому що калійні солі, що утворюються в ході технологічного процесу виробництва дизельного біопалива, можуть бути використані як мінеральні добрива. За результатами досліджень обрані оптимальні параметри проведення реакції переестерифікації: кількість метанолу – 20 % мас. від маси олії, каталізатора КOH 1 – 1,5% від маси олії ,температура ведення процесу 60°С при тривалості 60-70 хв.
Наведено приклади успішного впровадження цих технологій у різних країнах світу, зокрема в Європі, США та Азії. Додатково надано рекомендації щодо подальших досліджень і розвитку технологій, включаючи необхідність вдосконалення методів очищення відпрацьованих олій, оптимізації процесів переестерифікації та інтеграції відновлюваних джерел енергії. Розглянуто перспективи та виклики галузі виробництва біопалива з відпрацьованих олій, зокрема питання регуляторної підтримки, фінансових стимулів та залучення інвестицій.
Посилання
Aghbashlo, M., Peng, W., Tabatabaei, M., Kalogirou, S. A., Soltanian, S., Hosseinzadeh-Bandbafha, H., & Lam, S. S. (2021). Machine learning technology in biodiesel research: A review. Progress in Energy and Combustion Science, 85, 100904. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2021.100904
Ahranjani, P. J., Saei, S. F., El-Hiti, G. A., Yadav, K. K., Cho, J., Rezania, S. (2024). Magnetic carbon nanotubes doped cadmium oxide as heterogeneous catalyst for biodiesel from waste cooking oil. Chemical Engineering Research and Design, 201, 176-184. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2023.11.059
Ali, S., Shafique, O., Mahmood, S., Mahmood, T., Khan, B. A., Ahmad, I. (2020). Biofuels production from weed biomass using nanocatalyst technology. Biomass and bioenergy, 139, 105595. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105595
Athar, M., & Zaidi, S. (2020). A review of the feedstocks, catalysts, and intensification techniques for sustainable biodiesel production. Journal of Environmental Chemical Engineering, 8(6), 104523. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104523
Aurtherson, P. B., Nalla, B. T., Srinivasan, K., Mehar, K., & Devarajan, Y. (2023). Biofuel production from novel Prunus domestica kernel oil: process optimization technique. Biomass Conversion and Biorefinery, 13(7), 6249-6255. https://doi.org/10.1007/s13399-021-01551-5
Babadi, A. A., Rahmati, S., Fakhlaei, R., Barati, B., Wang, S., Doherty, W., Ostrikov, K. K. (2022). Emerging technologies for biodiesel production: processes, challenges, and opportunities. Biomass and Bioenergy, 163, 106521. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106521
Boro, M., Verma, A. K., Chettri, D., Yata, V. K., Verma, A. K. (2022). Strategies involved in biofuel production from agro-based lignocellulose biomass. Environmental Technology & Innovation, 28, 102679. https://doi.org/10.1016/j.eti.2022.102679
Chen B., Zheng, D., Xu, R., Leng, S., Han, L., Zhang, Q., Liu, N., Dai, C., Wu, B., Yu, G., Cheng, J. (2022). Disposal methods for used passenger car tires: One of the fastest growi ng solid wastes in China. In Green Energy & Environment, 7(6), 1298–1309. https://doi.org/10.1016/j.gee.2021.02.003
Dahiya, A. (2020, January). Cutting-edge biofuel conversion technologies to integrate into petroleum-based infrastructure and integrated biorefineries. In Bioenergy (pp. 649-670). Academic Press. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-815497-7.00031-2
Devarajan, Y., Munuswamy, D. B., Subbiah, G., Vellaiyan, S., Nagappan, B., Varuvel, E. G., Thangaraja, J. (2022). Inedible oil feedstocks for biodiesel production: A review of production technologies and physicochemical properties. Sustainable Chemistry and Pharmacy, 30, 100840. https://doi.org/10.1016/j.scp.2022.100840
Dey, S., Reang, N. M., Das, P. K., Deb, M. (2021). A comprehensive study on prospects of economy, environment, and efficiency of palm oil biodiesel as a renewable fuel. Journal of cleaner production, 286, 124981. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124981
Eldiehy, K. S., Daimary, N., Borah, D., Sarmah, D., Bora, U., Mandal, M., Deka, D. (2022). Towards biodiesel sustainability: Waste sweet potato leaves as a green heterogeneous catalyst for biodiesel production using microalgal oil and waste cooking oil. Industrial Crops and Products, 187, 115467. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.115467
Elgharbawy, A. S., Sadik, W., Sadek, O. M., Kasaby, M. A. (2021). A review on biodiesel feedstocks and production technologies. Journal of the Chilean Chemical Society, 66(1), 5098-5109. https://doi.org/10.4067/s0717-97072021000105098
Esmaeili, H. (2022). A critical review on the economic aspects and life cycle assessment of biodiesel production using heterogeneous nanocatalysts. Fuel Processing Technology, 230, 107224. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2022.107224
Gad, M. S., Ağbulut, Ü., Afzal, A., Panchal, H., Jayaraj, S., Qasem, N. A., El-Shafay, A. S. (2023). A comprehensive review on the usage of the nano-sized particles along with diesel/biofuel blends and their impacts on engine behaviors. Fuel, 339, 127364. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127364
Ganesan, R., Manigandan, S., Samuel, M. S., Shanmuganathan, R., Brindhadevi, K., Chi, N. T. L., Pugazhendhi, A. (2020). A review on prospective production of biofuel from microalgae. Biotechnology Reports, 27, e00509. https://doi.org/10.1016/j.btre.2020.e00509
Ganesan, R., Manigandan, S., Shanmugam, S., Chandramohan, V. P., Sindhu, R., Kim, S. H., Pugazhendhi, A. (2021). A detailed scrutinize on panorama of catalysts in biodiesel synthesis. Science of the Total Environment, 777, 145683. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145683
Hazrat, M. A., Rasul, M. G., Khan, M. M. K., Mofijur, M., Ahmed, S. F., Ong, H. C., Show, P. L. (2021). Techniques to improve the stability of biodiesel: a review. Environmental Chemistry Letters, 19, 2209-2236. https://doi.org/10.1007/s10311-020-01166-8
Hosseinzadeh-Bandbafha, H., Li, C., Chen, X., Peng, W., Aghbashlo, M., Lam, S. S., Tabatabaei, M. (2022). Managing the hazardous waste cooking oil by conversion into bioenergy through the application of waste-derived green catalysts: A review. Journal of Hazardous Materials, 424, 127636. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127636
Jayaraman, J., Dawn, S. S., Appavu, P., Mariadhas, A., Joy, N., Alshgari, R. A., Kumar, J. A. (2022). Production of biodiesel from waste cooking oil utilizing zinc oxide nanoparticles combined with tungsto phosphoric acid as a catalyst and its performance on a CI engine. Fuel, 329, 125411. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125411
Khan, Z., Javed, F., Shamair, Z., Hafeez, A., Fazal, T., Aslam, A., Rehman, F. (2021). Current developments in esterification reaction: A review on process and parameters. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 103, 80-101. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.07.018
Konur, O. (2021). Biodiesel and petrodiesel fuels: science, technology, health, and the environment. In Biodiesel Fuels (pp. 3-36). CRC Press. https://doi.org/10.4324/9780367456238-2
Kukana, R., Jakhar, O. P. (2022). Performance, combustion and emission characteristics of a diesel engine using composite biodiesel from waste cooking oil-Hibiscus Cannabinus oil. Journal of Cleaner Production, 372, 133503. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133503
Madden, S., Alles, K., Demirel, Y. (2021). Measuring sustainability of renewable diesel production using a multi‐criteria decision matrix. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 15(6), 1621-1637. https://doi.org/10.1002/bbb.2272
Maheshwari, P., Haider, M. B., Yusuf, M., Klemeš, J. J., Bokhari, A., Beg, M., Jaiswal, A. K. (2022). A review on latest trends in cleaner biodiesel production: Role of feedstock, production methods, and catalysts. Journal of Cleaner Production, 355, 131588. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131588
Mathew, G. M., Raina, D., Narisetty, V., Kumar, V., Saran, S., Pugazhendi, A., Binod, P. (2021). Recent advances in biodiesel production: Challenges and solutions. Science of the Total Environment, 794, 148751. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148751
Mushtruk M.M. (2014). Justification of the characteristics of the equipment for the production of liquid biofuel from technical animal fats (dissertation of the candidate of technical sciences, National University of Food Technologies, Kyiv, Ukraine)
Mushtruk, M., Bal-Prylypko, L., Slobodyanyuk, N., Boyko, Y., Nikolaienko, M. (2022). Design of Reactors with Mechanical Mixers in Biodiesel Production. In Lecture Notes in Mechanical Engineering (pp. 197–207). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-031-06044-1_19
Mushtruk, M., Mushtruk, N., Slobodyanyuk, N., Vasyliv, V., Zheplinska, M. (2024). Enhanced energy independence: converting animal fat into biodiesel. In International Journal of Environmental Studies (Vol. 81, Issue 1, pp. 134–144). Informa UK Limited. https://doi.org/10.1080/00207233.2024.2314860
Pasha, M. K., Dai, L., Liu, D., Guo, M., Du, W. (2021). An overview to process design, simulation and sustainability evaluation of biodiesel production. Biotechnology for Biofuels, 14, 1-23. https://doi.org/10.1186/s13068-021-01977-z
Pinheiro, C. T., Quina, M. J., Gando-Ferreira, L. M. (2021). Management of waste lubricant oil in Europe: A circular economy approach. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 51(18), 2015-2050. https://doi.org/10.1080/10643389.2020.1771887
Razak, N. H., Hashim, H., Yunus, N. A., Klemeš, J. J. (2021). Reducing diesel exhaust emissions by optimisation of alcohol oxygenates blend with diesel/biodiesel. Journal of Cleaner Production, 316, 128090. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128090
Subhash, G. V., Rajvanshi, M., Kumar, G. R. K., Sagaram, U. S., Prasad, V., Govindachary, S., & Dasgupta, S. (2022). Challenges in microalgal biofuel production: A perspective on techno economic feasibility under biorefinery stratagem. Bioresource Technology, 343, 126155. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126155
Suzihaque, M. U. H., Alwi, H., Ibrahim, U. K., Abdullah, S., Haron, N. (2022). Biodiesel production from waste cooking oil: A brief review. Materials Today: Proceedings, 63, S490-S495. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.04.527
Suzihaque, M. U. H., Syazwina, N., Alwi, H., Ibrahim, U. K., Abdullah, S., Haron, N. (2023). A sustainability study of the processing of kitchen waste as a potential source of biofuel: Biodiesel production from waste cooking oil (WCO). Materials Today: Proceedings, 63, S484-S489. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.04.526
Tucki, K., Orynycz, O., Wasiak, A., Świć, A., Mruk, R., Botwińska, K. (2020). Estimation of carbon dioxide emissions from a diesel engine powered by lignocellulose derived fuel for better management of fuel production. Energies, 13(3), 561. https://doi.org/10.3390/en13030561
Vickram, S., Manikandan, S., Deena, S. R., Mundike, J., Subbaiya, R., Karmegam, N., Awasthi, M. K. (2023). Advanced biofuel production, policy and technological implementation of nano-additives for sustainable environmental management–A critical review. Bioresource Technology, 387, 129660. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129660
Yildiz, I., Caliskan, H., Mori, K. (2022). Assessment of biofuels from waste cooking oils for diesel engines in terms of waste-to-energy perspectives. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 50, 101839. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101839
Zhao, Y., Wang, C., Zhang, L., Chang, Y., Hao, Y. (2021). Converting waste cooking oil to biodiesel in China: environmental impacts and economic feasibility. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 140, 110661. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110661
Zulqarnain, Mohd Yusoff, M. H., Ayoub, M., Ramzan, N., Nazir, M. H., Zahid, I., Butt, T. A. (2021). Overview of feedstocks for sustainable biodiesel production and implementation of the biodiesel program in Pakistan. ACS omega, 6(29), 19099-19114. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c02402
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Здоров'я людини і нації
TЦя робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Усі матеріали розповсюджуються згідно з умовами міжнародної публічної ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International Public License, що дозволяє іншим поширювати статтю з визнанням авторства та першої публікації в цьому журналі.
