CC BY
34УДК 662.758.2
БИОДИЗЕЛЬ КАСТОРОВОГО МАСЛА, КАК ПРОЦЕСС ЭТЕРИФИКАЦИИ
Ю.В. Панков,кандидат химических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-шаИ: [email protected])
Л.А. Новопашин, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-шаИ: [email protected])
Л.В. Денежко, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский ГАУ (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: [email protected])
А.А. Садов, аспирант кафедры технологических и транспортных машин ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8-996-187-9731, Е-mail: [email protected])
Рецензент М.Б. Носырев , доктор технических наук профессор, почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, профессор ФГБОУ ВО Уральский ГАУ (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8 (343) 222-40-00, Е-mail: [email protected])
Ключевые слова: биодизель, этерификация, структура, триацилглицерид, рицинолиевая кислота,
касторовое масло, углеводородное топливо
Аннотация:
Биодизель - биотопливо на основе растительных масел, в форме сложных эфиров -триацилгдицеридов карбоновых кислот. Карбоновые кислоты - это органические соединения, содержащие карбоксильную группу (карбоксил) и остаток любой карбоновой кислоты с общим названием «ацил». Свойства биодизеля характеризуется углеводородной группой СН2. В качестве добавки биодизель в концентрации 20 %.. .30% может добавляться к чистому дизельному топливу. Как исходное сырье биодизеля используют растительное масло, (например, С3Н5(С18Н3303)3 -касторовое масло, и спирта-этанола С2Н5ОН). Для того чтобы превратиться в биодизель, растительные масла подвергаются процессу этерификации, в ходе которого превращаются в сложные эфиры жирных кислот. Смесь этих эфиров и называют биодизелем. Физико - химические свойства различных смесей дизельного топлива (С16Н34) и биодизеля существенно зависят от
структуры их строения. Касторовое масло - жидкость. Возможное применение касторового масла в качестве компонента биодизеля основывается на том, что структурная формула рицинолеиновой жирной кислоты имеет мононенасыщенныецепи углеводородных групп СН2, мононенасыщенной олеиновой жирной кислоты, насыщенные цепи пальмитиновой жирной кислоты, цепи стеариновой жирной кислоты, и полиненасыщенной линолевой жирной кислоты.
Основные физико-химические свойства касторового масла определяет рицинолеиновая кислота. Касторовое масло в воде не растворяется, хорошо растворяется (1:1) в спирте. Плохо растворяется в бензине. Обладает слабовыраженным запахом и характерным (неприятным) вкусом. На воздухе загустевает, но не покрывается пленкой - не окисляется и не высыхает, что является свойством практическим.
BIO DIESEL OF CASTOR OIL AS A PROCESS OF ETERIFICATION Y.V. Pankov, candidate of chemistry sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: [email protected])
L.A. Novopashin, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: [email protected])
L.V. Denezhko, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: [email protected])
A.A. Sadov, graduate student of the department of technological and transport machines Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: artem [email protected])
Reviewer M.B. Nosyrev, doctor of technical sciences, professor, honorary worker of the highest
professional education of the Russian Federation, professor of FSBEI HE Ural GAU
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. 8 (343) 222-40-00, E-mail:
Keywords: biodiesel, esterification, structure, triacylglyceride, ricinolic acid, castor oil, hydrocarbon fuel Annotation:
Biodiesel - biofuel based on vegetable oils, in the form of esters - carboxylic acid triacyl dicyrides. Carboxylic acids are organic compounds containing a carboxyl group (carboxyl) and the residue of any
carboxylic acid with the common name "acyl". The properties of biodiesel are characterized by the hydrocarbon group CH2. As an additive, biodiesel at a concentration of 20% ... 30% can be added to pure diesel fuel. As a biodiesel feedstock, vegetable oil is used, (for example, C3H5 (C18H33O3) 3 - castor oil, and ethanol-ethanol C2H5OH). In order to turn into biodiesel, vegetable oils undergo an esterification process, during which they are converted into esters of fatty acids. A mixture of these esters and called biodiesel. The physicochemical properties of various mixtures of diesel fuel (С16Н34) and biodiesel significantly depend on the structure of their structure. Castor oil is liquid. Possible use of castor oil as a component of biodiesel is based on the fact that the structural formula of ricinoleic fatty acid has monounsaturated chains of hydrocarbon groups CH2, monounsaturated oleic fatty acid, saturated chains of palmitic fatty acid, stearic fatty acid chains, and polyunsaturated linoleic fatty acid.
The main physico-chemical properties of castor oil are determined by ricinoleic acid. Castor oil does not dissolve in water, it dissolves well (1: 1) in alcohol. It is badly dissolved in gasoline. It has a faint odor and a characteristic (unpleasant) taste. It thickens in the air, but does not become covered with a film - it does not oxidize and does not dry out, which is a practical property.
Биодизель - биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), в форме сложных эфиров. Важнейшим методом получения сложных эфиров является реакция этерефикации.- взаимодействия спирта с кислотой. Применяется на автотранспорте в чистом виде в форме сложных эфиров и в виде различных смесей с дизельным топливом. Название сложных эфиров производятся от названий тех кислот и спиртов, которые образуют эфиры.
СН'-<о°сЛ СН'-СН-ССн.
уксусноэтиловый эфир пропионометиловый эфир
Карбоновые кислоты - это органические соединения, содержащие карбоксильную группу (карбоксил) и остаток любой карбоновой кислоты с общим названием «ацил»:
<
«карбоксил» «ацил»
Название карбоксил произошло от двух слов: «карбонил» > С = О и «гидроксил» - ОН, так как кислотную группу можно рассматривать как соединение этих двух групп. Остаток любой
карбоновой кислоты носит общее название «ацил». В зависимости от кислоты каждый из этих остатков носит соответствующее название. Методами исследования доказано, что при реакции этерификации от молекул кислоты отщепляется гидроксил (ОН), а от молекулы спирта отщепляется водород (Н).
Наряду с этерификацией протекает и обратная реакция гидролиза (омыления), при которой сложный эфир расщепляется на кислоту и спирт. В зависимости от природы и количества участвующих в реакции этерификации кислоты и спирта равновесие реакции сдвигается в ту или иную сторону. Для ускорения реакции этерификации, т.е. ускорения образования сложного эфира, необходим катализатор - водородные ионы.
По химической структуре спирты представляют собой характерным сочетанием групп СН2 и водородной гидроксильной группы ОН. Общая формула одноатомных спиртов предельного ряда
СН3 — СН2 — СН2 — СН2 — СН2 — ОН — амиловый"
Подобно молекулам воды, молекулы низших спиртов связываются между собой водородными связями. По этой причине температура кипения спиртов выше, чем температура кипения соответствующих углеводородов. Общим свойством спиртов является подвижность водорода гидроксильной группы.
Спирты значительно легче окисляются, чем соответствующие углеводороды.
Биодизель из растительных масел по составу композиционно имеет длинные цепи из групп СН2 - «жирные кислоты» с карбоксилами - СООН.
Свойства масел зависят, в основном, от типа и содержания жирных кислот, входящих в состав триглицеридов. Жирные кислоты, входящие в состав природных масел (в форме триглицеридов), представляют собой либо жидкости, либо твердые вещества с низкой температурой плавления. Чистые масла бесцветны и их можно разделить на «насыщенные» и «ненасыщенные» жирные кислоты. Основность кислот определяется числом содержащихся в них карбоксильных групп. Так, например, одноосновные кислоты содержат одну карбоксильную группу; двухосновные - две карбоксильных группы и т.д. Исключительным свойством углерода,
обуславливающим многообразие органических соединений растительных масел, является способность всех его атомов соединяться прочными ковалентными связями друг с другом. Образуя углеродные цепи практически неограниченной длины. Растительные масла не имеют изомеров но имеют разветвленные цепи групп СН2. Касторовое масло - жидкость с молекулами из групп СН2 различных жирных кислот.
В зависимости от сорта и степени очистки обладает разной густотой-вязкостью и цветом. Химический состав касторового масла представлен в таблице 1.
Таблица 1 Химический состав касторового масла в виде брутто формул:
Рицинолеиновая кислота - (мононенасыщенная жирная кислота) СН3(СН2)5СН(ОН)СН2СН=СН(СН2)7СООН ~90%
Пальмитиновая кислота (Насыщенная жирная кислота) СН3(СН2)14СН(СН)СООН ~1%
Стеариновая кислота (Насыщенная жирная кислота) СН3(СН2)16СООН ~1%
Олеиновая кислота (мононенасыщенная жирная кислота) СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН ~3%
Линолевая кислота (полиненасыщенная жирная кислота) СН3(СН2)4СН=СН-СН2СН=СН(СН2)7СООН ~4%
Возможное применение касторового масла в качестве компонента биодизеля основывается на том, что структурная формула рицинолеиновой жирной кислоты и других жирных кислот имеют мононенасыщенныецепи углеводородных групп СН2. Химическая формула мононенасыщенной рицинолеиновой кислоты с одной двойной связью в виде брутто-формулы (по системе Хилла) - С18Н3403 представлена структурной формой строения групп СН2:
сн3 (СН2) 5СН СН2СН=СН(СН2) 7СООН
Большой набор жирных кислот (табл. 1) и одноатомных спиртов определяют структурное строение сложного эфира из касторового масла.
На примере строения структуры пальмитиновая кислота и структуры этилового спирта получаем строение сложного эфира методом этерификации:
Структурная формула ненасыщенных жирных кислот С17Н33СООН с одной и двумя двойными связями мононенасыщенной олеиновой жирной кислоты позволяет определять брутто формулу сложного эфира С17Н33СООС2Н5
и полиненасыщенной линолевой жирной кислоты С17Н31СООС2Н5.
насыщенные цепи пальмитиновой жирной кислоты, цепи стеариновой жирной кислоты.
Основные физико-химические свойства касторового масла определяет рицинолеиновая кислота. Положение двойной связи может меняться при нагревании и при различных химических воздействиях. Касторовое масло в воде не растворяется, хорошо растворяется (1:1) в спирте. Плохо растворяется в бензине. Обладает слабовыраженным запахом и характерным (неприятным) вкусом. На воздухе загустевает, но не покрывается пленкой - не окисляется и не высыхает, что является свойством практическим. При температуре менее -15°С застывает. В смеси со спиртом температура застывания масла снижается до больших отрицательных значений. Добавка дизельного топлива и биоэтанола к рициновому маслу с предварительной подготовкой снижает вязкость, улучшает низкотемпературные свойства и делает пригодной к ее использованию с точки зрения качественного распыла [4]. В работах оцениваются энергетические возможности композиций биодизеля на основе касторового масла. С учетом структурного строения определены химические элементы исходного сырья. Расчетом получены значения теплоты сгорания углеводородных соединений исследуемых композиций. Расчетом определены изменения эффективной мощности исследуемых композиций смесей биодизеля.
Литература:
1. Химическая энциклопедия. - Т.4. - М.: Советская энциклопедия, 1995. - С. 268
2. Химический энциклопедический словарь. - Под ред. Кнунянц И.Л. - М.: Советсткая энциклопедия, 1983. - С. 509
3. Л.А. Новопашин, Л.В. Денежко, А.А. Садов, Е.Е. Баженов Исследование показателей работы тракторного дизеля при применении смесевого топлива на основе биоэтанола и масла производимого из клещевины
4. Уханов А.П., Уханов Д.А., Адгамов И.Ф. Дизельное смесевое топливо: проблемы и инновационные разработки // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. Т. 1. № 2. С. 46-51.
5. Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Исследование вязкости касторового масла // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 1997. №2. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/issledovanie-vyazkosti-kastorovogo-masla (дата обращения: 14.02.2019).
6. Ишмуратов Г.Ю., Легостаева Ю.В., Гарифуллина Л.Р., Боцман Л.П., Насибуллина Г.В., Газетдинов Р.Р. Синтез (ЗЯ)-гидроксинонановой кислоты и ее сложноэфирных производных из касторового масла // Вестник Башкирск. ун-та. 2014. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sintez-3r-gidroksinonanovoy-kisloty-i-ee-slozhnoefirnyh-proizvodnyh-iz-kastorovogo-masla (дата обращения: 14.02.2019).
7. Харченко Галина Михайловна Физико-механические свойства растительных масел // Вестник АГАУ. 2008. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fiziko-mehanicheskie-svoystva-rastitelnyh-masel (дата обращения: 14.02.2019).
8. Свиридов А. А., Шведов И. В., Овчарова Л. Р. Жирнокислотный состав масла семян коллекционных образцов клещевины // Масличные культуры. Научно-технический бюллетень ВНИИМК. 2005. №2 (133). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/zhirnokislotnyy-sostav-masla-semyan-kollektsionnyh-obraztsov-klescheviny (дата обращения: 14.02.2019).
Literature:
1. Chemical encyclopedia. - T.4. - M .: Soviet encyclopedia, 1995. - p. 268
2. Chemical encyclopedic dictionary. - Ed. Knunyants I.L. - M .: Soviet Encyclopedia, 1983. - P. 509
3. L.A. Novopashin, L.V. Denezhko, A.A. Sadov, E.E. Bazhenov Study of the performance of a
tractor diesel engine when using mixed fuel based on bioethanol and oil produced from castor
bean
4. Ukhanov A.P., Ukhanov D.A., Adgamov I.F. Diesel composite fuel: problems and innovative
developments // News of the Samara State Agricultural Academy. 2016. V. 1. № 2. S. 46-51.
5. Potapochkin V. V., Lyashkov V. I. Study of the viscosity of castor oil // Bulletin of Tambov University. Series: Natural and Technical Sciences. 1997. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vyazkosti-kastorovogo-masla (appeal date: 02/14/2019).
6. Ishmuratov G.Yu., Legostaeva Yu.V., Garifullina L.R., Botsman L.P., Nasibullina G.V., Gazetdinov R.R. Synthesis of (3R) -hydroxynonanoic acid and its ester derivatives from castor oil // Vestnik Bashkirsk. un-that. 2014. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sintez-3r-gidroksinonanovoy-kisloty-i-ee-slozhnoefirnyh-proizvodnyh-iz-kastorovogo-masla (appeal date: 02/14/2019).
7. Kharchenko Galina Mikhailovna Physico-mechanical properties of vegetable oils // Vestnik AGAU. 2008. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fiziko-mehanicheskie-svoystva-rastitelnyh-masel (appeal date: 02/14/2019).
8. Sviridov A. A., Shvedov I. V., Ovcharova L. R. Fat-acid composition of seed oil of castor collection samples // Oilseeds. Scientific and Technical Bulletin VNIIMK. 2005. № 2 (133). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/zhirnokislotnyy-sostav-masla-semyan-kollektsionnyh-obraztsov-klescheviny (appeal date: 02/14/2019).
