UPGRADING OF HETEROGENEOUS BASE CATALYST SUPPORTED FOR BIODIESEL PRODUCTION BY REFLUX PROCESS

Abstract

The objective of this research is to develop heterogeneous catalyst by extrusion method. The waste mussel shells was utilized as raw material of calcium oxide (CaO) in catalyzing a transesterification to produced biodiesel. The experiment was divided into four parts as follows: 1) Synthesis and characterization of CaO powder, 2) Synthesis, characterization and catalystic properties of extruded catalyst. The effect of the amount of binder liquid in the range 10-20 ml and the ratio of CaO : cat.Support in the range 30:70-70:30 on physical and chemical properties was investigated, 3) Study the optimal conditions for biodiesel production by transesterification reaction using extruded CaO-based catalyst compared with CaO powder. The influence of catalyst loading in the range of 10-20% and the different methanol to oil molar ratio in the range 6:1-18:1 on biodiesel yield was studied, and 4) Study the biodiesel properties and the application of biodiesel blended with commercial diesel fuel in small diesel engines. The biodiesel blended at the ratio of 5-15% with different of the engine speed (1,200-1800) rpm was investigated. In the part of CaO powder synthesis, the results showed that the physical appearance of CaO powder synthesized catalyst from waste mussel shells (CaOshell) calcined at 900°C for 5 hrs was the pure white powder.The morphology of catalyst was analyzed by SEM. It was found that the surface was a large amount of distributed porosity. CaO was the main chemical component of 54.29%. The X-ray diffraction was detected by XRD technique at an angle of 37.30o indicating the presence of CaO. The specific surface area and adsorption average pore diameter 33.22 m2/g and 9.57 nm, respectively.

In the case of sodium silicate the effect binder of loading in extrusion process using borosilicate glass as a support at the different ratios of CaO: cat.Support to produce (CaOshell,extruded)compared to commercial CaO catalysts (CaOcom,extruded), the results showed that CaOshell,extruded under the condition of 20ml binder loading with the ratio of CaO : cat.Support at 70:30 achieved the highest shatter index and water absorption value of 81.43% and 85.63%, respectively. In the same preparation condition, CaOcom,extruded catalyst also archived the highest of shatter index and water absorption at 81.54% and 85.21%, respectively. The part of extruded catalyst for biodiesel production, catalyst loading, CaO : cat.Support ratio and methanol to oil molar ratio were important factors affecting the biodiesel yield. The optimized conditions for transesterification were 15% CaOshell,extruded catalyst loading (CaO : cat.Support at 70:30), methanol to oil molar ratio of 9:1, reaction temperature of 65oC and reaction time of 3 hrs, achieving a maximum biodiesel yield of 81.20% with 87.62% of the fatty acid methyl ester similar way results in CaOcom,extruded catalysts (under the same test conditions), achieving a biodiesel production of 82.64%. However, biodiesel yield reached 80.6% at 15%wt catalyst loading, methanol to oil molar ratio of 9:1 at the reaction temperature of 65oC for 2 hrs using CaOcom catalyst.

The properties of the biodiesel fuel produced from CaOshell,extruded were 880 kg/m3, 4.9 cSt, 0.47 mg KOH/g, flash point of 180°C and 38.4 MJ/kg in term of density, viscosity, acid value, flash point, high heating value, respectively. The properties of the biodiesel gave an indication it would be suitable for automotive fuels recommended in the standards of the Department of Energy Business. From the application of biodiesel blended in small diesel engines, it was found that the values ​​of torque, braking power, and fuel consumption were 9.28 Nm, 2.46 kW, and 645 kg/kWh, respectively under the condition of 15% biodiesel, engine speed of 1,600 rpm similar results compared to commercial B10. The results indicated that the CaOshell,extruded catalyst obtained from the mussel shells are effective way to produce the biodiesel. The results obtained can be used as guidance for the application of industrial catalysts in the further.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ด้วยวิธีการอัดขึ้นรูปสำหรับการผลิตไบโอดีเซลผ่านกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน โดยการสังเคราะห์แคลเซียมออกไซด์ (CaO) จากเปลือกหอยแมลงภู่เหลือทิ้ง แบ่งการทดลองออกเป็น 4 ส่วน ดังนี้คือ 1) การสังเคราะห์ CaO ชนิดผงและการวิเคราะห์สมบัติเบื้องต้น 2) ศึกษาการนำ CaO ชนิดผงมาอัดขึ้นรูป วิเคราะห์สมบัติทางกายภาพและทางเคมี โดยศึกษาปริมาณของตัวประสานสำหรับอัดขึ้นรูปตัวเร่งปฏิกิริยาที่ 10-20ml ศึกษาอัตราส่วนผสม CaO : cat. Support ที่ 30:70-70:30 3) ศึกษาสภาวะที่เหมาะสมของการผลิตไบโอดีเซลผ่านกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันจากตัวเร่งปฏิกิริยาเบส CaO ชนิดผงและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผ่านการอัดขึ้นรูป ที่ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา 10-20% และอัตราส่วนโดยโมลเมทานอลต่อน้ำมัน 6:1-18:1 4) การวิเคราะห์สมบัติไบโอดีเซล และการใช้งานไบโอดีเซลผสมกับน้ำมันดีเซลทางการค้า ที่อัตราส่วน 5-15% และความเร็วรอบเครื่อง 1,200-1800 rpm เพื่อศึกษาประสิทธิภาพการประยุกต์ใช้งานกับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก จากการวิเคราะห์คุณลักษณะของตัวเร่งปฏิกิริยา CaO ชนิดผง (CaOshell) ที่ผ่านการแคลไซด์อุณหภูมิ 900 °C เป็นเวลา 5 hrs ตัวเร่งปฏิกิริยามีลักษณะเป็นผงสีขาวบริสุทธิ์ เมื่อวิเคราะห์ลักษณะสัณฐานวิทยาด้วยเทคนิค SEM พบว่าพื้นผิวเป็นรูพรุนขนาดเล็กกระจายอยู่จำนวนมาก และมีองค์ประกอบของ CaO 54.29% พบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ด้วยเทคนิค XRD ที่ตำแหน่งมุม 37.30o ซึ่งแสดงถึงการมี CaO เป็นองค์ประกอบ ตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดของรูพรุน 9.572 nm และมีปริมาณพื้นที่ผิวจำเพาะเท่ากับ 33.22 m2/g

จากการศึกษาผลของปริมาณตัวประสานโซเดียมซิลิเกตสำหรับการอัดขึ้นรูปโดยใช้แก้วบอโรซิลิเกตเป็นตัวรองรับที่อัตราส่วน CaO : cat.Support ที่แตกต่างกันเพื่อผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาอัดขึ้นรูป (CaO shell,extruded)เปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยา CaO ทางการค้า (CaOcom,extruded) ผลการทดลองพบว่า การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยา CaO shell,extruded ที่ปริมาณตัวประสาน 20ml อัตราส่วน CaO : cat.Support 70:30 มีค่าดัชนีการแตกหัก และค่าการดูดซึมน้ำสูงสุด 81.43% และ 85.63% ตามลำดับ และผลการทดลองไปในทิศทางเดียวกันจากการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยา CaOcom,extruded ซึ่งมีค่าดัชนีการแตกหัก และค่าการดูดซึมน้ำสูงสุด 81.54% และ 85.21% ตามลำดับ ผลการทดลองการผลิตไบโอดีเซลจากตัวเร่งปฏิกิริยาอัดขึ้นรูป พบว่าปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยา อัตราส่วนผสม CaO : cat.Support และอัตราส่วนโดยโมลเมทานอลต่อน้ำมัน เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อปริมาณผลผลิตไบโอดีเซล จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา CaOshell,extruded ที่ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา 15%wt อัตราส่วนผสม CaO : cat.Support 70:30 อัตราส่วนโดยโมลเมทานอลต่อน้ำมัน 9:1 ควบคุมอุณหภูมิในการทำปฏิกิริยา 65 oC เวลา 3 hrs ให้ผลผลิตไบโอดีเซลสูงสุด 81.20% มีปริมาณเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน 87.62% และเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยา CaOcom,extruded พบว่าให้ผลผลิตไบโอดีเซลแตกต่างกันเล็กน้อย ซึ่งให้ผลผลิต 82.64% ที่สภาวะการทดลองเดียวกัน และเปรียบเทียบการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบผงพบว่าให้ผลผลิตไบโอดีเซลเพียง 80.6% ที่สภาวะปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา 15%wt อัตราส่วนโดยโมลเมทานอลต่อน้ำมัน 9:1 ควบคุมอุณหภูมิในการทำปฏิกิริยา 65 oC เวลา 2 hrs

ไบโอดีเซลที่ผลิตได้จาก CaOshell,extruded มีค่าความหนาแน่น 880 kg/m3 ค่าความหนืด 4.9 cSt ค่าความเป็นกรด 0.47mg KOH/g ค่าจุดวาบไฟ 180°C ค่าความร้อน 38.4 MJ/kg ซึ่งอยู่ในเกณฑ์มาตรฐานของกรมธุรกิจพลังงาน จากการนำน้ำมันผสมไปประยุกต์ใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก พบว่าให้ค่าของแรงบิด กำลังเบรก อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงสุด 9.28Nm 2.46kW และ 645kg/kWh ตามลำดับ จากการใช้น้ำมันผสมที่อัตราส่วน 15% ความเร็วรอบเครื่อง 1,600 rpm เมื่อเปรียบกับน้ำมัน B10 ทางการค้า พบว่ามีค่าผลการทดสอบแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย จากการทดลองเห็นได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอัดขึ้นรูป CaOshell,extruded ที่เตรียมได้จาการเปลือกหอยแมลงภู่สามารถนำมาใช้ในการสังเคราะห์ตัวเร่งในการผลิตไบโอดีเซลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งผลการทดลองที่ได้สามารถนำมาใช้เป็นแนวทางในการประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในระดับโรงงานอุตสาหกรรมต่อไป