BIODIESEL PRODUCTION USING BIOMASS ASH AS CATALYST FOR SMALL DIESEL ENGINE

Abstract

The objective of this research was to study the utilization of biomass ash catalyst in the biodiesel production via transesterification reaction of used cooking oil. The biomass ash catalysts in this study were agricultural waste ash, namely coconut, longan and rice husk ash. The catalysts were prepared by calcination at 300, 600 and 900 ºC for 4 hr. After which their properties were studied using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) The study found that the catalyst from coconut and longan ash exhibited a decrease of carbon content by increasing calcination temperature whereas oxygen and calcium content increased. As for the catalyst from rice husk ash, it was found that different silicon component were produced corresponding to the increasing of calcination temperature. All catalysts prepared at low calcination temperature were agglomerated together while catalysts prepared at the high calcination temperature were notecibly distributed. This research studied catalysts quantity of 1-3%wt, methanol/oil molar ratios of 3:1 6:1, 9:1 and 12:1. The reaction was done at 60 ºC for 1 hr. The results showed biodiesel production using rice husk ash as catalyst exhibited low percentage yield and not enough information for properties assessment. Biodiesel product using calcined coconut ash and calcined longan ash using catalysts calcined at 900 ºC showed maximum low percentage yield of 98.57% and 95.32%, respectively. The catalyst amount was 1%wt and molar ratio of methanol per oil was 3:1. Biodiesel in these conditions were suitable for biodiesel production for small diesel engine application. The characterization of biodiesel from experiments were qualified according to the standard announced by the department of energy business, Ministry of Energy. Total acid (ASTM D2896), density (ASTM D1298), viscosity (ASTM D445), flash point (ASTM D93), heat of combustion (ASTM D4809) and methyl esters (EN 14103) were studied. The properties of the best biodiesel product using calcined coconut ash as catalyst were 0.43 mg KOH/g, 870 kg/m3, 4.20 cSt, 190 ºC 42,646 kJ/kg and 97%, respectively. Properties of the best biodiesel product using calcined longan ash as catalyst were 0.50 mg KOH/g, 875 kg/m3, 4.50 cSt, 186 ºC, 42,556 kJ/kg and 96.5%, respectively. The evaluation of biodiesel application in diesel engines was performance testing. It was found that biodiesel produced by coconut ash showed torque and horsepower of 19.38 N-m and 56 kW, respectively. Biodiesel produced by longan ash showed torque and horsepower of 19.40 N-m and 3.45 kW, respectively. In addition, fuel consumption and specificty fuel consumption using biodiesel from coconut ash was found to be 0.043 cc/s and 0.00068 kg/kWh, respectively. Fuel consumption and specificty fuel consumption using biodiesel from longan ash was found to be 0.041 cc/s and 0.00074 kg/kWh, respectively.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมจากเถ้าชีวมวลมาใช้ในการผลิตไบโอดีเซลด้วยปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันจากน้ำมันพืชใช้แล้ว โดยตัวเร่งปฏิกิริยาเถ้าชีวมวลที่ใช้ เป็นวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร ได้แก่ เถ้ากาบมะพร้าว เถ้าไม้ลำไย และเถ้าแกลบข้าว ที่ โดยเตรียมตัวเร่งด้วยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 300, 600 และ 900 ºC เป็นเวลา 4 hr และศึกษาสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเทคนิคจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และสเปกโตรมิเตอร์เอ็กซ์เรย์แบบกระจายพลังงาน (EDS) จากการศึกษาพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้ากาบมะพร้าวและเถ้าไม้ลำไยนั้น เมื่อเพิ่มอุณหภูมิการให้ความร้อนซ้ำ พบว่าปริมาณคาร์บอนในองค์ประกอบเถ้าลดลงในขณะที่ปริมาณออกซิเจน และแคลเซียมเพิ่มขึ้น สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้าแกลบข้าวพบว่า มีซิลิกอนเป็นองค์ประกอบที่แตกต่างและมีปริมาณเพิ่มขึ้นตามลำดับเมื่ออุณหภูมิการเผาสูงขึ้น สำหรับการกระจายตัวของทั้งเถ้าสามชนิด พบว่ามีรูปแบบใกล้เคียงกัน โดยอนุภาคของเถ้าจะจับตัวเป็นกลุ่มก้อนในการให้ความร้อนที่อุณหภูมิต่ำ และอนุภาคจะมีกระจายตัวได้ดียิ่งขึ้นในการให้ความร้อนซ้ำอุณหภูมิที่สูงขึ้นตามลำดับ งานวิจัยนี้ศึกษาที่เงื่อนไขของการทดลองของตัวเร่งปฏิกิริยาทุกชนิด ที่ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา 1-3%wt อัตราส่วนเมทานอลต่อน้ำมัน 3:1, 6:1, 9:1 และ 12:1 อุณหภูมิปฏิกิริยาที่ 60 ºC เป็นเวลา 1 hr ผลการทดลองพบว่าการผลิตไบโอดีเซลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้าแกลบข้าวให้ผลผลิตที่ต่ำมากและไม่เพียงพอในการทดสอบคุณสมบัติ การผลิตไบโอดีเซลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้ากาบมะพร้าว และเถ้าไม้ลำไยที่ผ่านการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 900 ºC อัตราส่วนเมทานอลต่อน้ำมัน 3:1 ที่ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา 1%wt เป็นเงื่อนไขให้ผลผลิตไบโอดีเซลสูงสุด คือ 98.57% และ 95.32% ตามลำดับ และเหมาะสมในการศึกษาเพื่อผลิตน้ำมันไบโอดีเซลสำหรับใช้ทดสอบกับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก การวิเคราะห์คุณสมบัติของไบโอดีเซล พบว่าไบโอดีเซลที่ได้จากเงื่อนไขที่ดีที่สุดดังกล่าวข้างต้นมีคุณสมบัติเป็นไปตามประกาศของกรมธุรกิจพลังงาน คือ ค่าความเป็นกรดตามมาตรฐาน ASTM D2896, ค่าความหนาแน่นตามมาตรฐาน ASTM D1298, ค่าความหนืดตามมาตรฐาน ASTM D445, จุดวาบไฟมาตรฐาน ASTM D93, ค่าความร้อนตามมาตรฐาน ASTM D4809 และปริมาณเมทิลเอสเทอร์ตามมาตรฐาน EN 14103 โดยผลการทดสอบคุณสมบัติของไบโอดีเซลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้ากาบมะพร้าว มีค่าเท่ากับ 0.43 mg KOH/g, 870 kg/m3, 4.20 cSt, 190 ºC, 42,646 kJ/kg มี และ 97% ตามลำดับ จากการผลิตไบโอดีเซลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้าไม้ลำไย มีค่าเท่ากับ 0.50 mg KOH/g, 875 kg/m3, 4.50 cSt, 186 ºC, 42,556 kJ/kg และ 96.5% ตามลำดับ จากการวิเคราะห์การใช้ไบโอดีเซลกับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็กโดยทำการศึกษาด้านสมรรถนะของเครื่องยนต์ พบว่า ไบโอดีเซลที่ผลิตโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้ากาบมะพร้าว มีค่าแรงบิด และกำลังเบรก เท่ากับ 19.38 N-m และ 56 kW ตามลำดับ และไบโอดีเซลที่ผลิตโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้าไม้ลำไย มีค่ามีค่าแรงบิด และกำลังเบรกเท่ากับ 19.40 N-m, 3.45 kW ตามลำดับ และทำการวิเคราะห์ด้านความสิ้นเปลืองพลังงาน ได้แก่ อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงสุด และอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำเพาะสูงสุด พบว่าไบโอดีเซลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้ากาบมะพร้าว มีค่าเท่ากับ 0.043 cc/s และ 0.00068 kg/kWh ตามลำดับ สำหรับไบโอดีเซลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเถ้าไม้ลำไย มีค่า 0.041 cc/s และ 0.00074 kg/kWh ตามลำดับ