BIODIESEL PRODUCTION BY USING BLUE CRAB SHELL AS CATALYST

Abstract

The aim of this study was to investigate the synthesis of calcium oxide from blue crab shells as a catalyst for biodiesel production from waste cooking oil by transesterification. The catalysts were prepared by calcining blue crab shells at 700, 800 and 900 oC, respectively, for 4 h. Then, the physical and chemical properties of the synthesized catalysts were investigated in detail by X-ray fluorescence spectrometry (XRF) and scanning electron microscope (SEM) before they were subjected to the transesterification process under the production conditions of 9:1, 12:1 and 15:1 molar ratio of methanol to oil, 1-5%wt catalyst amount, 1-3 h reaction time and 65 oC reaction temperature. The results showed that the use of a higher calcination temperature led to catalyst was smaller, uniformly distributed catalyst particles, cylindrical structure and rough surface because the more pores in structures due to the greater CaCO3 decomposition to CaO. Therefore, calcination of blue crab shells at 900 oC resulted in better physical and chemical properties of the catalysts, namely, average particle area, average pore area and CaO content of 463.97±147.24 µm2, 1.25±0.58 µm2 and 75.21%wt, respectively. In the production of biodiesel, it was found that the best yield of 80.40% was obtained with 900 oC catalyst calcined, 5 wt% catalyst amounts, 9:1 molar ratio methanol to oil, and 2 h reaction time. The obtained biodiesel had good properties that met the biodiesel standard announced by the Department of the Energy Business, Ministry of Energy (Thailand), namely viscosity at 6.63 cSt, density at 900 kg/m3, acid value at 0.33 mg KOH/g, cloud point at 6 oC, pour point at 3 oC, flash point at 216 ºC, fire point at 220 oC and heating value at 41.37 MJ/kg. Moreover, the catalyst could be reused up to 3 times in biodiesel production, and it still exhibited high yield and good properties. Finally, the performance of a small diesel engine using the produced biodiesel was investigated with an engine speed test at 1,400 rpm, which showed a torque, brake power, fuel consumption, and specific fuel consumption of 12.18 Nm, 2.40 kW, 713.79 kg/h, and 0.40 kg/kWh, respectively. It could be concluded that this research can serve as a guide to reduce the cost and environmental problems in the production and use of biodiesel, as this natural catalyst could produce efficient biodiesel.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการสังเคราะห์แคลเซียมออกไซด์จากเปลือกปูม้า เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ำมันพืชใช้แล้ว โดยการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาจากการเผาเปลือกปูม้าที่อุณหภูมิ 700, 800 และ 900 oC ตามลำดับ เป็นเวลา 4 h จากนั้นนำตัวเร่งปฏิกิริยาไปศึกษาสมบัติทางกายภาพและทางเคมีเพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบและสารประกอบทางเคมีด้วยเทคนิคเอ็กซ์เรย์ฟลูออเรสเซ็นต์ (XRF) และวิเคราะห์ลักษณะสัณฐานทางวิทยาระดับจุลภาคเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ก่อนนำไปศึกษาการผลิตไบโอดีเซลภายใต้เงื่อนไขอัตราส่วนโดยโมลของเมทานอลต่อน้ำมัน 9:1, 12:1 และ 15:1 ปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยาในช่วง 1-5%wt เวลาในการทำปฏิกิริยาในช่วง 1-3 h และอุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาที่ 65 oC ผลการศึกษาด้านการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาพบว่าการใช้อุณหภูมิการเผาเปลือกปูม้าที่สูงขึ้นทำให้อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดเล็กลง เกิดการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ โครงสร้างเป็นรูปทรงกระบอก มีพื้นผิวขรุขระเนื่องจากมีรูพรุนในโครงสร้างจำนวนมาก เกิดจากการสลายตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ที่เพิ่มสูงขึ้นและก่อให้เกิดองค์ประกอบของแคลเซียมออกไซด์ (CaO) ที่ต้องการมากยิ่งขึ้น โดยตัวเร่งปฏิกิริยาจากเปลือกปูม้าที่ผ่านการเผาที่อุณหภูมิ 900 oC มีพื้นที่ของอนุภาคและพื้นที่ของรูพรุนอยู่ที่ 463.97±147.24 µm2 และ 1.25±0.58 µm2 ตามลำดับ และมีปริมาณ CaO สูงถึง 75.21%wt จากการศึกษาการผลิตไบโอดีเซลพบว่าเงื่อนไขที่เหมาะสมในการผลิตไบโอดีเซลจากน้ำมันพืชใช้แล้วเกิดขึ้นเมื่อมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเปลือกปูม้าที่ผ่านการเผาด้วยอุณหภูมิ 900 oC ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา 5%wt ภายใต้เงื่อนไขของอัตราส่วนโดยโมลของเมทานอลต่อน้ำมัน 9:1 และเวลาในการทำปฏิกิริยา 2 h สามารถผลิตไบโอดีเซลได้สูงถึง 80.40% และเมื่อวิเคราะห์ไบโอดีเซลที่ผลิตได้พบว่ามีสมบัติใกล้เคียงกับมาตรฐานที่กรมธุรกิจพลังงานของประเทศไทยกำหนดไว้ ได้แก่ ค่าความหนืด 6.63 cSt, ความหนาแน่น 900 kg/m3, ความเป็นกรด 0.33 mg KOH/g, จุดขุ่น 6 oC, จุดไหลเท 3 oC, จุดวาบไฟ 216 oC, จุดติดไฟ 220 oC และความร้อน 41.37 MJ/kg นอกจากนี้ได้มีการศึกษาการนำตัวเร่งปฏิกิริยาจากเปลือกปูม้ามาใช้ซ้ำในกระบวนการผลิตพบว่าสามารถใช้ซ้ำได้ 3 ครั้ง โดยยังคงให้ปริมาณผลผลิตและสมบัติของไบโอดีเซลในช่วงการผลิตในครั้งแรก จากการศึกษาพบว่าไบโอดีเซลที่ผลิตได้สามารถใช้งานได้ในเครื่องยนต์ดีเซลทางการเกษตรขนาดเล็ก ซึ่งทดสอบการใช้งานที่ความเร็วรอบ 1,400 rpm มีค่าแรงบิด กำลังเบรก อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำเพาะ เท่ากับ 12.18 N-m, 2.40 kW, 713.79 kg/h และ 0.40 kg/kWh ตามลำดับ จากการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาจากเปลือกปูม้าสามารถนำไปผลิตไบโอดีเซลได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยงานวิจัยในครั้งนี้สามารถใช้เป็นแนวทางในการผลิตไบโอดีเซลด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธุ์จากธรรมชาติ เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในด้านการผลิตและด้านการใช้งาน รวมถึงช่วยลดปัญหาด้านต้นทุนในการผลิตไบโอดีเซลและสามารถขยายผลเพื่อใช้ในการผลิตไบโอดีเซลเชิงพาณิชย์ต่อไป