فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:177
رساله دکتری رشته مهندسی شیمی
فهرست مطالب:
عنوان صفحه
مقدمه............................................................................................................................................................................1
فصل اول- مروری بر مطالعات پیشین................................................................................................................5
1-1- مقدمه...................................................................................................................................................................5
1-2- سوخت زیستی......................................................................................................................................................7
1-2-1- انواع سوخت‌های زیستی.............................................................................................................................9
1-2-1-1- بیودیزل...........................................................................................................................................9
1-3- پیشینه تولید و استفاده از بیودیزل.....................................................................................................................11
1-4- ریز جلبک‌ها و تولید سوخت‌های زیستی............................................................................................................12
1-5- تبدیل روغن به بیودیزل......................................................................................................................................18
1-6- تولید توده زیستی ریز جلبک.............................................................................................................................23
1-6-1- استخرها...................................................................................................................................................25
1-6-2- فتوبیورآکتورها..........................................................................................................................................26
1-6-3- مقایسه فتوبیوراکتور لوله‌ای و استخرهای روباز........................................................................................30
1-7- بازیابی توده زیستی ریز جلبک...........................................................................................................................31
1-7-1- روش‌های جمع آوری محصول.................................................................................................................32
1-7-1-1- روش لخته سازی و اولترا سونیک..................................................................................................32
1-7-1-2- جمع آوری با استفاده از شناورسازی.............................................................................................34
1-7-1-3- ته نشینی با استفاده از سانتریفوژ و نیروی گرانش.........................................................................34
1-7-1-4- فیلتراسیون توده زیستی................................................................................................................35
1-7-2- استخراج و خالص سازی توده زیستی ریز جلبک.....................................................................................35
1-7-3- استخراج و خالص سازی سوخت‌های زیستی...........................................................................................36
1-7-4- استخراج و خالص سازی متابولیت های جلبکی.......................................................................................37
1-8- تبدیل روغن استخراج شده از ریز جلبک به بیودیزل..........................................................................................38
1-8-1- روش‌های تولید رایج................................................................................................................................38
1-8-2- کاتالیست غیر همگن در واکنش ترنس استریفیکاسیون..........................................................................41
1-9- سابقه علمی تولید بیودیزل از ریز جلبک‌ها........................................................................................................43
1-10- بررسی میزان تولید و استفاده از بیودیزل در جهان.........................................................................................46
1-11- بررسی وضعیت ایران در تولید بیودیزل..........................................................................................................47
1-12- هدف تحقیق..................................................................................................................................................50
فصل دوم- مواد و روش انجام تحقیق.............................................................................................................51
2-1- مقدمه...............................................................................................................................................................51
2-2- انتخاب ریز جلبک.............................................................................................................................................52
2-3- محیط کشت مایع.............................................................................................................................................53
2-4- آزمایش بررسی نور و مواد مغذی.......................................................................................................................54
2-5- منحنی کالیبراسیون وزن خشک سلولی............................................................................................................55
2-6- برداشت ریز جلبک از محیط کشت و خشک کردن آن‌ها.................................................................................57
2-7- استخراج روغن از ریز جلبک خشک.................................................................................................................58
2-8- آنالیز روغن استخراج شده با استفاده از دستگاه کروماتوگرافی گازی................................................................59
2-9- ساخت کاتالیست..............................................................................................................................................61
2-9-1- سنتز کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا.....................................................................................................62
2-9-2- سنتز کاتالیست آلومینا.............................................................................................................................66
2-9-3- سنتز کاتالیست زیرکونیا..........................................................................................................................67
2-10- آنالیز تعیین مشخصات کاتالیست.....................................................................................................................68
2-11- انجام واکنش‌های ترنس استریفیکاسیون..........................................................................................................69
2-11-1- بررسی پارامترهای موثر بر فرایند ترنس استریفیکاسیون.......................................................................69
فصل سوم- بررسی و نتایج..............................................................................................................................75
3-1- مقدمه.................................................................................................................................................................75
3-2- بررسی اثر هم زمان شدت نور و میزان نیتروژن..................................................................................................75
3-3- استخراج روغن از ریز جلبک و آنالیز روغن حاصل.............................................................................................80
3-4- تعیین پارامترهای سینیتیک رشد ریز جلبک سندسموس..................................................................................83
3-5- تعیین مشخصات کاتالیست‌های سنتز شده........................................................................................................86
3-5-1- آنالیز طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز............................................................................................86
3-5-1-1- کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا......................................................................................................86
3-5-1-2- کاتالیست آلومینا...........................................................................................................................87
3-5-1-3- کاتالیست زیرکونیا.........................................................................................................................88
3-5-2- آنالیز طیف سنجی پراش اشعه ایکس......................................................................................................89
3-5-2-1- کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا......................................................................................................89
3-5-2-2- کاتالیست آلومینا...........................................................................................................................93
3-5-2-3- کاتالیست زیرکونیا.........................................................................................................................94
3-5-3- تعیین مساحت سطح و توزیع اندازه ذرات با آنالیز BET و BJH..........................................................94
3-5-4- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی کاتالیست‌های سنتز شده..............................................................103
3-5-5- آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری کاتالیست‌های سنتز شده..............................................................105
3-6- واکنش ترنس استریفیکاسیون..........................................................................................................................107
3-6-1- فاکتورهای اصلی تأثیر گذار بر بازده تولید بیودیزل...............................................................................108
3-6-1-1- مقدار الکل..................................................................................................................................108
3-6-1-2- مدت زمان واکنش......................................................................................................................110
3-6-1-3- دمای واکنش..............................................................................................................................111
3-6-1-4- مقدار کاتالیست...........................................................................................................................112
3-6-2- واکنش ترنس استریفیکاسیون با روغن جلبک.......................................................................................113
3-6-3- احیا کاتالیست‌های سنتز شده...............................................................................................................118
فصل چهارم- نتیجه گیری و پیشنهادات........................................................................................................121
پیوست الف................................................................................................................................................................127
پیوست ب..................................................................................................................................................................137
پیوست ج...................................................................................................................................................................140
مراجع........................................................................................................................................................................145
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل (1-1): نقش فتوسنتز در تولید سوخت زیستی...................................................................................................16
شکل (1-2): تولید انرژی از توده زیستی ریز جلبک با استفاده از فرایندهای مختلف..................................................17
شکل (1-3): نمایی از استخر برای رشد ریز جلبک‌ها...................................................................................................26
شکل (1-4): فتوبیورآکتور لوله‌ای افقی جهت رشد ریز جلبک.....................................................................................28
شکل (1-5): انواع فتوبیورآکتورهای مورد استفاده جهت رشد ریز جلبک....................................................................29
شکل (1-6): واکنش ترنس استریفیکاسیون روغن و تولید بیودیزل.............................................................................39
شکل (2-1): آزمایش بررسی شدت نور بر رشد جلبک................................................................................................55
شکل (2-2): منحنی استاندارد وزن خشک سلولی در طول موج 650 نانو متر............................................................57
شکل (2-3): پودر خشک شده ریز جلبک سندسموس................................................................................................58
شکل (2-4): نمایی از دستگاه سوکسوله دیجیتال........................................................................................................59
شکل (2-5): مراحل تشکیل ژل...................................................................................................................................66
شکل (2-6): پودر کاتالیست کلسینه شده در دمای 700 درجه سانتی‌گراد.................................................................68
شکل (2-7): نمایی از راکتور جهت انجام واکنش ترنس استریفیکاسیون.....................................................................70
شکل (3-1): منحنی‌های رشد ریز جلبک سندسموس در محیط کشت TMRL با غلظت‌های نیتروژن متغیر و شدت نور ثابت 1000 لوکس..................................................................................................................................................77
شکل (3-2): منحنی‌های رشد ریز جلبک سندسموس در محیط کشت TMRL با غلظت‌های نیتروژن متغیر و شدت نور ثابت 3500 لوکس..................................................................................................................................................78
شکل (3-3): منحنی‌های رشد ریز جلبک سندسموس در محیط کشت TMRL با غلظت‌های نیتروژن متغیر و شدت نور ثابت 6000 لوکس..................................................................................................................................................79
شکل (3-4): درصد اسیدهای چرب موجود در روغن جلبک سندسموس....................................................................82
شکل (3-5): طیف FTIR کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا کلسینه شده در 700 درجه سانتی‌گراد............................87
شکل (3-6): طیف FTIR کاتالیست آلومینا کلسینه شده در 700 درجه سانتی‌گراد.................................................88
شکل (3-7): طیف FTIR کاتالیست زیرکونیا کلسینه شده در 700 درجه سانتی‌گراد...............................................89
شکل (3-8): پراش اشعه ایکس کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا...................................................................................92
شکل (3-9): پراش اشعه ایکس کاتالیست آلومینا........................................................................................................93
شکل (3-10): پراش اشعه ایکس کاتالیست زیرکونیا...................................................................................................94
شکل (3-11): ایزوترم های جذب مطابق دسته بندی آیوپاک.....................................................................................97
شکل (3-12): لوپ های هیسترزیس مطابق دسته بندی آیوپاک................................................................................98
شکل (3-13): ایزوترم جذب و واجذب نیتروژن برای کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا..................................................99
شکل (3-14): ایزوترم جذب و واجذب نیتروژن برای کاتالیست آلومینا.....................................................................100
شکل (3-15): ایزوترم جذب و واجذب نیتروژن برای کاتالیست زیرکونیا...................................................................101
شکل (3-16): نمودار توزیع اندازه ذرات کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا....................................................................102
شکل (3-17): نمودار توزیع اندازه ذرات کاتالیست آلومینا.........................................................................................102
شکل (3-18): نمودار توزیع اندازه ذرات کاتالیست زیرکونیا......................................................................................103
شکل (3-19): تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا.................................................104
شکل (3-20): تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی کاتالیست آلومینا......................................................................104
شکل (3-21): تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی کاتالیست زیرکونیا....................................................................105
شکل (3-22): تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا.................................................106
شکل (3-23): تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری کاتالیست آلومینا......................................................................106
شکل (3-24): تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری کاتالیست زیرکونیا....................................................................107
شکل (3-25): تأثیر نسبت مولی الکل به روغن بر بازده............................................................................................109
شکل (3-26): تأثیر مدت زمان واکنش بر بازده.........................................................................................................111
شکل (3-27): تأثیر دمای واکنش بر بازده.................................................................................................................112
شکل (3-28): تأثیر مقدار کاتالیست بر بازده.............................................................................................................113
شکل (3-29): مقایسه بین بازده تولید بیودیزل در حضور کاتالیست‌های متفاوت سنتز شده....................................114
شکل (3-30): بازده تولید بیودیزل در دفعات استفاده از کاتالیست گاما آلومینا زیرکونیا..........................................119
شکل (3-31): بازده تولید بیودیزل در دفعات استفاده از کاتالیست آلومینا...............................................................119
شکل (3-32): بازده تولید بیودیزل در دفعات استفاده از کاتالیست زیرکونیا.............................................................120
شکل (الف-1): دستگاه آنالیز FTIR.........................................................................................................................128
شکل (الف-2): دستگاه پراش اشعه ایکس..................................................................................................................129
شکل (الف-3): میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد استفاده در تحقیق حاضر...........................................................131
شکل (الف-4): دستگاه لایه نشانی طلای مورد استفاده در تحقیق حاضر..................................................................132
شکل (الف-5): میکروسکوپ الکترونی عبوری مورد استفاده در تحقیق حاضر...........................................................133
شکل (ج-1): کروماتوگرام مربوط به محلول استاندارد................................................................................................141
شکل (ج-2): کروماتوگرام مربوط به روغن استخراج شده از ریز جلبک سندسموس..................................................143
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول (1-1): مقایسه ریز جلبک‌ها با سایر منابع تولید بیودیزل..................................................................................20
جدول (1-2): مقایسه خصوصیات روغن ریز جلبک‌ها با سایر روغن‌های گیاهی...........................................................23
جدول (1-3): مقایسه خواص بیودیزل حاصل از ریز جلبک، سوخت دیزل و استاندارد ASTM................................24
جدول (1-4): مقایسه روش‌های تولید در فتوبیورآکتور و استخر..................................................................................31
جدول (3-1): مقایسه محتوای روغن برخی از ریز جلبک ها........................................................................................81
جدول (3-2): پارامترهای سینیتیکی مدل لجستیک برای رشد ریز جلبک سندسموس..............................................85
جدول (3-3): خلاصه‌ای از مطالعات انجام شده برای تولید بیودیزل با استفاده از کاتالیست اسیدی.........................115
جدول (ب-1): پارامترهای سینیتیکی مدل ورهالست برای رشد ریز جلبک سندسموس...........................................139
جدول (ج-1): ترکیبات و زمان خروج مواد موجود در محلول استاندارد از ستون دستگاه GC.................................141
جدول (ج-2): ترکیبات و زمان خروج مواد موجود در روغن ریز جلبک سندسموس از ستون دستگاه GC..............144
چکیده
با افزایش جمعیت، نیاز به منابع انرژی برای بشر نیز افزایش یافته است. دیزل به عنوان یک سوخت موثر، نیاز به سوخت مورد نیاز حمل و نقل را در جهان برآورده می‌سازد. بیودیزل که یک سوخت تجدید پذیر محسوب شده و اثرات مخرب زیست محیطی کمتری به وجود می‌آورد، از منابع گوناگونی تولید می‌شود که از آن میان می‌توان به گیاهان روغنی خوراکی نظیر روغن آفتاب گردان، سویا، زیتون و ...، پسماندهای کشاورزی و ریز جلبک‌ها اشاره نمود. در تحقیق حاضر، تولید بیودیزل از جلبک مد نظر قرار گرفته است چرا که، جلبک‌ها در مقایسه با سایر منابع هم میزان لیپید بیشتری در توده زیستی خود تولید می‌کنند و هم به عنوان منبع غذایی بشر مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. در این تحقیق گونه ریز جلبک سندسموس به دلیل فراوانی آن در آب دریای خزر و در دسترس بودن آن مورد بررسی قرار گرفت. ریز جلبک‌ها در محیط کشت TMRL کشت داده شدند و اثر نور و کاهش منبع نیتروژنی بر رشد آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که میزان نیتروژن اضافی تأثیری بر رشد ریز جلبک ندارد. اما، هنگامی که از شدت نور کم استفاده می‌شود کاهش میزان نیتروژن محیط کشت ترفندی جهت افزایش میزان توده زیستی به شمار می‌رود. مدل لجستیک با موفقیت برای پیش بینی منحنی رشد و حداکثر میزان توده زیستی مورد استفاده قرار گرفت. پس از روغن گیری از ریز جلبک‌های کشت داده شده که محتوای روغن آن‌ها 8/25% وزن خشک آن‌ها محاسبه شد، آنالیز روغن با استفاده از دستگاه کروماتوگرافی گازی صورت پذیرفت. نتایج نشان داد که در حدود 84/81% از کل اسیدهای چرب موجود در روغن ریز جلبک از اسید چرب‌های خانواده C16 و C18 تشکیل شده که برای تولید بیودیزل با کیفیت مناسب می‌باشد. در مرحله بعد سنتز کاتالیست انجام گرفت و مشخصات آن‌ها با استفاده از آزمون‌های FTIR، XRD، BET، SEM و TEM تعیین شد. سطح ویژه کاتالیست‌های گاما آلومینا زیرکونیا، آلومینای آمورف و زیرکونیا به ترتیب برابر بود با: 389، 312 و 148 متر مربع بر گرم. اندازه حفره‌ها نیز به ترتیب 243/21، 991/18 و 664/20 نانومتر محاسبه شد که نشان دهنده ساختار مزوپور کاتالیست‌های سنتز شده می‌باشد. به منظور یافتن حداکثر بازده تولید بیودیزل ابتدا پارامترهای نسبت مولی الکل به روغن، مدت زمان انجام واکنش، دمای واکنش و مقدار کاتالیست بهینه شدند. پس از یافتن شرایط بهینه، واکنش ترانس استریفیکاسیون در حضور کاتالیست‌های مختلف و در شرایط: نسبت مولی الکل به روغن برابر با 12، مدت زمان 4 ساعت، دمای 70 درجه سانتی‌گراد، مقدار کاتالیست 2% وزنی روغن، دور همزن مکانیکی 600 دور در دقیق و نسبت حجمی هگزان به متانول 2 به 5، انجام گرفت. بازده تولید بیودیزل در این شرایط برای کاتالیست‌های گاما آلومینا زیرکونیا، آلومینای آمورف و زیرکونیا به ترتیب برابر است با: 8/97، 6/94 و 5/81%. کاتالیست‌های گاما آلومینا زیرکونیا و آلومینای آمورف پس از فرایند احیا قادرند حداقل 5 بار مورد استفاده مجدد قرار گیرند.
واژه‌های کلیدی:
بیودیزل، ریز جلبک، اسید چرب، کاتالیست آلومینا زیرکونیا، ترانس استریفیکاسیون
