CC BY
3Chemical Journal of Kazakhstan
Volume 3, Number 79(2022), 71-80 https://doi.org/10.51580/2022-3/2710-1185.80
УДК 661.74
QUANTUM CHEMICAL STUDY OF THE PROCESS OF CLEANING BIOFUEL FROM FREE FATTY ACIDS USING IONIC LIQUIDS AT THE
MOLECULAR LEVEL
Sailau Zh.A1 *, Almas N.Zh.2, Toshtay K 1, Aldongarov A.A.3
1Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan 2Astana IT University, Nur-Sultan, Kazakhstan 3L.N. Gumilyov Eurasian National University, Nur-Sultan, Kazakhstan *e-mail: [email protected]
Abstract: Introduction. Among alternative sources of energy, such as solar, wind, and hydrogen energy, biofuel occupies a special place because it has a few useful properties. Compared to the current price of gasoline, the price of biofuel is very low. During its use, biofuel releases less greenhouse gases into the environment and is less flammable. However, in order to support biofuel, it is necessary to purify its composition from unnecessary glycerol, methanol, and free fatty acids. Free fatty acids in biofuel are flammable and pollute car engines. Various ionic liquids have been developed for the purification of biofuel. One of them is 1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide. The purpose of this work is to study the state of purification of free fatty acids in biofuel by 1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide at the molecular level using chemical quantum calculations. Methodology. HyperChem PM3 method was used for quantum chemical calculations of chemical structures, molecular electrostatic potentials, molecular orbitals, bond distances, and energies. Results. During the study of bond energy, bond length, and structure of free fatty acids in biofuel using 1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide, it was found that there is a strong chemical bond between ionic liquid and free fatty acid. It is known that free fatty acids in biofuels chemically bond with hydrogen atoms close to nitrogen in ionic liquids. Conclusion. This research will contribute to the rational design of ionic liquids and will help advance research related to the purification of biofuels from free fatty acids.
Keywords: 1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide, ionic liquid, free fatty acids, biofuel, extraction
Sailau Zhassulan Askhatuly 3rdyearPhD student, e-mail: [email protected], ORCID ID:
https://orcid.org/0000-0001-5222-6827 AlmasNurlanZhumabekuly 1st year postdoctoral attendee, e-mail: [email protected],
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-2183-3389 Tostay Kainaubek PhD, Senior Lecturer, e-mail: [email protected],
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1182-7460 Aldongarov Anuar PhD, Associated Professor, e-mail: [email protected], ORCID
Akylkhanovich ID: https://orcid.org/0000-0001-7784-0524
Citation: Sailau Zh.A., Almas N., Toshtay K., Aldongarov A.A. Quantum chemical study of the process of cleaning biofuel from free fatty acids using ionic liquids at the molecular level. Chem. J. Kaz., 2022, 3(79), 71-80. DOI: https://doi.org/10.51580/2022-3/2710-1185.80
ИОНДЬЩ С¥ЙЬЩТЬЩТАР АРЦЫЛЫ БИООТЫН Ц¥РАМЫН БОС МАЙ ЦЫШЦЫЛДАРЫНАН ТАЗАРТУ ПРОЦЕСС1Н МОЛЕКУЛАЛЫЦ ДЕЦГЕЙДЕ КВАНТТЫЦ ХИМИЯЛЫЦ ЖОЛМЕН ЗЕРТТЕУ
Сайлау Ж.А.1*, АлмасН.Ж.2, ТоштайЦ.1, Алдонгарое А.А.3
1Эл-Фараби атындагы К,азац ¥лттыц yHueepcumemi, Алматы, К^азацстан 2Astana IT University, Нрр-С^лтан, К,азацстан
3Л.Н. Гумилев атындагы Еуразия ¥лттыц yHueepcumemi, Нрр-С^лтан, К,азацстан *e-mail: [email protected]
Туйшдеме: Kipicne. kyh, жел, сутеп энергиясы сиякты баламалы энергия кездершщ арасында биоотын ерекше орын алады, ce6e6i ол бiркатар пайдалы касиеттерге иеленедi. Казiргi бензин багасымен салыстырганда биоотынныц багасы ете темен. ^олданыс барысында биоотын коршаган ортага парниктi газдарды аз шыгарады жэне аз тутангыш. Дегенмен, биоотынды колдау Yшiн оныц курамын кажетсiз глицерин, метанол, бос май кышкылдарынан тазарту кажет. Биоотын курамындагы бос май кышкылдары тутангыш жэне машинаныц козгалткыштарын ластайды. Биоотынды тазарту Yшiн казiргi тацда эртYрлi иондык суйыктыктар пайда болды. Солардыц бiрi 1-бутил-3-метилимидазолий дицианамид. Б^л ж^мыстыц мацсаты. 1-бутил-3-метилимидазолий дицианамид аркылы биоотынныц курамындагы бос май кышкылдарын тазарту жагдайын химиялык кванттык есептеулер аркылы молекулалык децгейде зерттеу. Эдктемеci. HyperChem PM3 эдю1 химиялык курылымдарды, молекулалык электростатикалык потенциалдарды, молекулалык орбитальдарды, байланыс кашыктыгын жэне энергияны кванттык химиялык есептеулер Yшiн колданылды. Ж^мыстыц нэmuжeлepi. 1-бутил-3-метилимидазолий дицианамид аркылы биоотынныц курамындагы бос май кышкылдарын тазарту жагдайыныц байланыс энергиясын, байланыс узындыгын, курылымын зерттеу барысында, иондык суйыктык пен бос май кышкылыныц арасында KYШтi химиялык байланыс бары аныкталды. Биоотын курамындагы бос май кышкылдары иондык суйыктыктар курамындагы азотка жакын сутегi атомдарымен химиялык байланысатыны белгiлi болды. Цорытынды. Бул зерттеу иондык суйыктарды рационалды дизайндауга ез Yлесiн косады жэне биоотынды бос май кышкылдарынан тазартуга байланысты зерттеулерiн дамытуга кемектеседi.
ТYЙiндi сездер: 1-бутил-3-метилимидазолий дицианамид, иондык суйыктык, бос май кышкылдары, биоотын, экстракция
Сайлау Жасулан Асхатулы 3-ий курс докторанты
Алмас Нурлан Жумабекулы 1-ui курс постдокторанты
Тоштай Цайнаубек PhD доктор
Алдонгарое Ануар Акылханоеич PhD доктор, доцент
1. Kipicne
Мунай жэне кем1р отындарыныц жануы, табигаттыц езгеру^ ауаныц ластану жэне т.б. коршаган ортаны коргау мэселесше байланысты жаца отын тYрiн ойлап табуга бYкiл элем ниетп. Осыган орай биоотын табиги газды, кемiрдi жэне мунайды коса алганда, мунай непзшдеп дэстYрлi отындарды алмастыра алатын мацызды биологиялык ыдырайтын отынныц бiрi болып табылады. Осыган байланысты биодизель - курамында алкилдi кYPделi тiзбектерi бар мунай непзшдеп отын жэне непзшен май кышкылыныц моноэфирлерш алу липидтердiц спиртпен эрекеттесуi
аркылы ендiрiледi. Биодизельдi жануарлар майларынан, есiмдiк майларынан, майлы микробтык биомассадан, карагайдан, соядан жэне т.б.
зaттaрдaн овдй дaйындayFa болaды [1-5]. Б^л жeрдe биоотынныц кeптeгeн aртыкшылыктaры бaр, оньщ iшiндe жaцaртылaтын, aзтYгaнFыш жэнe дэстYрлi отынмeн сaлыстырFaндa aрзaнырaк, пaрниктiк гaздaр шыFaрындылaрын aзaйтy жэнe т.б. Дeгeнмeн, тец ayкымдa биоотын eндiрiсimц HerÍ3ri мэсeлeсi оныц кaжeтсiз коспaлaрын, соньщ iшiндe глицeридтeрдi, глицeриндi, суды, мeтaнолды, сaбын/кaтaлизaторды, бос мaй кышкылдaрын жэж т.б. тaзaртyмeн бaйлaнысты [3-6]. Осытан бaйлaнысты биоотын к¥PaмындaFы бос мaйкьIшкылдaрын aлып тaстay eтe мaцызды. Бос мaй кышкылдaры биоотын к¥PaмындaFы ^ш^ген мэсeлeлeрдi тyдырaды, соныц iшiндe i) eтe кaтты тYгaнFыш зaт, ii) мaшинaныц козFaлткышын коррозияFa ¥шырaтaды, iii) жэж т.б. [6-10]. Ka3Ípri тaцдa бос мaй кышкылдaрын биоотыннaн aлyдьщ кeптeгeн жолдaры бaр жэнe мaцызды жолдaрдыц 6ípí иондык с¥йыктыктaр aркылы бос мaй кышкылдaрын биоотыннaн aлyмeн бaйлaнысты.
Ka3Ípri коFaмдa иондык с^йыкгыкгар дэстYрлi eрiткiштeрдщ жaцa тYрi болып тaбылaды. Дeмeк, иондык eрiткiштeр Faлымдaрдыц Yлкeн нaзaрындa болды, eйткeнi оныц кeптeгeн aртыкшылыктaры бaр, соныц iшiндe тaбиFи K0сылыстaрдaн тYзiлyi, жоFaры т¥рaктaндырy жэнeэ кстрaкциялык потeнциaлы, биологиялык ыдырaйтын, кaрaпaйым дaйындay тeхникaсы, тeмeн к¥ны, т¥рaктылыFы, тeмeн ^шкышты^ы жэнe т.б. [13]. Иондык с^йыкгыкгардыцк eптeгeн колдaнбaлaры бaр, соныц iшiндe i) т¥рaктaндырy, фeрмeнттiк рeaкциялaр, iii) экстрaкция, iv) биотрaнсформaция, v) биоaктивтiлiктi aрггырy, vi) биоотындытaзaртy жэнe т.б. [13-15]. Бiр KызыFы, биоотыннaн бос MaM кышкылдaрын aлyFa болaтын кeйбiр иондык с^йыктыкгар зeрггeлгeн [13-17]. Мысaлы, бос мaй кышкылдaрын биоотыннaн тaзaртy Yшiн 1-бyтил-3-мeтилимидaзолий дициaнaмид нeгiзiндeгi иондык с^йыкгык биоотын к¥PaмындaFы бос мaй кышкылдaрын кeтiрyдe тиiмдi eкeнi aныктaлды [18-25]. Мы^лы, 1-бутил-3-мeтилимидaзолий дициaнaмид нeгiзiндeгi иондык с^йыктык aркылы биоотыннaн бос мaй кышкьIлдaрыныц 92% экстрaкциялaнды [25]. Б^л бaFыгтa 1-бyтил-3-мeтилимидaзолий дициaнaмид нeгiзiндeгi иондык с^йыкгъ^ыныц тYзiлy мeхaнизмiн жaн-жaкты зeрттey жэнe осы иондык C¥Йыкгыктaр aркылы биоотыннaн бос мaйкышкылдaрын aлyдa колдaнy жaFдaйын молeкyлaлык дeцгeйдe зeрттey eтe мaцызды [17-25].
Б^л жeрдe 1-бyтил-3-мeтилимидaзолий дициaнaмид нeгiзiндeгi иондык с^йыкгъ^ыныц молeкyлaaрaлык тYзiлyiн жэнe олaрдыц биоотыннaн бос мaй кышкылдaрын квaнттык химиялык eœmey aркылы aлy кaбiлeтiн зeрттeйтiн болaмыз. Kвaнттык химиялык eсeптeyлeр Yшiн HyperChem бaFдaрлaмaлык K¥рaлыныц PM3 эдiсiн eнгiздiк. Нeгiзiндe иондык с^йыктыкгарды кaлыптaстырy жэж иондык C¥Йыкгыктaр aркылы биоотыннaн бос мaй кышкылдaрын aлy Yшiн оцтaйлaндырылFaн к¥рылымдaрды, энeргиялaрды, молeкyлaлык элeктростaтикaлык кaртaлaрды жэнe молeкyлaлык орбитaльдaрды зeрттeдiк.
2. Тэ^рибелж бел1м
HyperChemPM3 эдга химиялык к¥рылымдарды алу, молекулалык электростатикалык потенциалдарды, молекулалык орбитальдарды, байланыс кашыктыгын жэне энергияны есептеу Yшiн кванттык химиялык есептеулер Yшiн енгiзiлдi. Жэне де байланыс энергиясын есептеудщ формуласы теменде кврсетiлдi:
E (байланыс) = E(AB) - (E(A)+E(B))
М^нда иондык с^йыктыктардыц есептеу моделi ретiнде 1-бутил-3-метилимидазолий дицианамид, бос май кышкылдары Yлгiсi ретiнде линол ^ыш^ылы жэне биоотын Yлгiсi ретiнде метиллинолатты тацдадык. Жасалган модельдеу жYЙелерi 1-кестеде кершш т^ргандай, бастапкыда 1-бутил-3-метилимидазолий дицианамид компоненттерi жэне де коспасы Yшiн кванттык химиялык есептеулердi орындадык. Осыдан кейiн бос май кышкылымен метиллинолаттан т^ратын таза Yлгiленген биоотынды модельдедш. Соцында иондык с^йыктыктар аркылы биоотыннан бос май кышкылдарын алу процес Yшiн кванттык химиялык есептеулер жYргiздiк.
Кесте 1 - Иондык косылыстар TYзiлуiн жэне оны биоотыннан бос май кышкылдарын алуда колдануды зерттеу Yшiн жобалантан модельдеу ЖYЙесi
1-бутил-3- Дицианамид Линол Метиллинолат Мацызы
метилимидазол кышкылы
ий
1 - - - Таза 1-бутил-3-метилимидазолий
- 1 - - Таза дицианамид
1 1 - - Иондык суйыктык
- - 1 - Таза Линол кышкылы
- - - 1 Таза Метиллинолат
- - 1 1 Биоотын
1 1 1 1 Экстракция
Энергияныц ек1нш1 туындыларыныц аналитикалык есептеулер1 аркылы стационарлык нYктелер сэйкесшше олардыц потенциалдык энергия беттер1 Yшiн акикат минимумдер екеш расталды.
3. Нэтижелер мен талкылау
1-бутил-3-метилимидазолий дицианамид, линол кышкылы, метиллинолаты бар глицериннщ косылыстардыц 2D к¥рылымдары 1-суретте кврсетiлген. Б^л бвлiмде, дицианамид жэне 1-бутил-3-метилимидазолий негiзiндегi иондык с^йыктыгыныц тYзiлу механизмш зерттеймiз. Бастапкыда, иондык с^йыктыктардыц тYзiлуi Yшiн, молекулааралык эрекеттесулердi зерттеу Yшiн 1-бутил-3-метилимидазолий жэне дицианамид негiзiндегi иондык с^йыктыктарды оцтайландырылган
KypbinHMgap, MoneKynanHK эneктpocтaтнкanнк KapTanap, MoneKynanHK op6uTanbgap ^9He энepгнanap TypFHCHHaH 3epTTegiK. 1-6yran-3-MeTHnHMHga3onHH ^9He gu^aHaMHg Heri3iHgeri uoHgHK cyHHKTHKTap 6oHHHma KBaHTTHK XHMHanHK ecenTeynep TangayHH 6acragbiK, ohh 2-4-cvpcTTcpgc >kohc 2-KCCTcgc Kepyre Scnagbi.
[f ,> N (CN)2
Ny' 1-butyl-3-methyKmidazoKum dicyanamide
ionic Kquid
CypeT 1 - A) 1 -6yTHn-3-MeTHnHMHga3onHH gHUHaHaMHg, B) nHHon KbimKbinbi, C) MeTHnnHHonaTH 6ap rnH^pHHHiR 2D XHMHanHK K¥PHnbiMgapbi.
CypeT 2 - 1-6yTHn-3-MeTHnHMHga3onHH, gнцнaнaмнg ^3He hoh^hk cyHHKTHKTapgHR oRTaHnaHgbipbinFaH K¥pHnHMgapbiHa Heri3genreH KBaHTTHK XHMHanHK ecenTey. Cyp: cyTeri; Keringip: KeMipTeri; K6K: a3oT.
1 -bulyl-3-methyhmidazolium dicyanamide
ionic liquid
CypeT 3 - 1-6yTHn-3-MeTHnHMHga3onHH, gнцнaнaмнg ^3He hoh^hk cyHHKTHKTapgHR MoneKynanHK anerapocTaTHKanbiK KapTanapHHa Heri3genreH KBaHTTHK XHMHanHK ecenTeynep.
LUMO
CypeT 4 - 1-6yTHn-3-MeTHnHMHga3onHH, gнцнaнaмнg ^3He hoh^hk cyHHKTHKTapgHR MoneKynanHK op6HTanbgapbiHa Heri3genreH KBaHTTHK XHMHanHK ecenTey.
KecTe 2 - HoHabiK cyHHKTHKTapgHR nafiga 6ony 3HeprHanapH. EipniK: KKan/Monb
1 -6yTHn-3-MeTHnHMHga3onHH gнцнaнaмнg HoHgbiK cyHHKTHK
-31095.9 -16446.40 -47814.20
hoh^hk cyHHKTHKTap apKHnH 6nooTHHHaH 6oc MaH KHmKbingapbiH экcтpaкцнanay. EKiHmigeH, koh^hk cyHHKTHKTap apKHnH 6koothhh3h 6oc MaH KHmK^ingapHH anygH 3epiregiK. 5-7-cyperre ^9He 3-Kecrege KepceTinreHgeH koh^hk cyHHKTHKTap apKHnH 6uooTHHHaH 6oc MaH KHmKHngapHH any YmiH KBaHTTHK XHMHanHK ecemenreH oRTaHnaHgbipHnFaH KypHnHMgapgH, MoneKynanHK эneктpocтaтнкanнк KapTanapgH, MoneKynanHK op6uTanbgapgH ^9He энepгнanapgн TangagHK.
Сурет 5 - Иондык суйыктыктардыц, бос май кышкылыньщ жэне метиллинолиаттыц оцтайландырылтан курылымдарына негiзделген кванттык химиялык есептеу. Сур: сутегц квгiлдiр: квмiртегi; кек: азот; кызыл: оттегi.
Сурет 6 - Иондык суйыктыктардыц, бос май
кышкылыныц жэне метиллинолиаттыц молекулалык электростатикалык карталарына негiзделген кванттык химиялык есептеулер.
HOMO
free fatty acids AMl^Jk i м 1.
LUMO
metyl linoleate
Extraction process
V
4
/
X
Сурет 7 - Иондык суйыктыктардыц, бос май кышкылыныц жэне метиллинолиаттыц молекулалык орбитальдарына непзделген кванттык химиялык есептеу.
Кесте 3 - Иондык суйыктыктардыц, бос май кышкылыныц жэне метиллинолиаттыц TYзiлу энергиясы. Бiрлiк: ккал/моль
Бос май кышкылы Метил линелоат Иондык суйыктык Экстракция
-74160.50 -77595.70 -47814.20 -201037.00
Б1р1нш1 бел1мде 1-бутил-3-метилимидазолий жэне дицианамид непзшдеп иондык суйыктыктардыц туз1луш зерттеуге арналды. Бастапкыда иондык суйыктыктар ретшде таза 1-бутил-3-метилимидазолийдщ, дицианамидтщ жэне олардыц коспасыныц геометриялык курылымын курастырдык жэне оцтайландырдык. 2-суретте азот атомыныц касындагы сутеп атомдары 1-бутил-3-метилимидазолийдщ жэне дицианамидтщ арасындагы байланыстырушы агент ретшде эрекет ететшш керуге болады. 1-бутил-3-метилимидазолийдщ мен дицианамидтщ арасындагы ец кыска кашыктык 4 А болды.
Еганш^н, шндык c¥йыктыкrap таза 1-бутил-3-
мeтилимидaзoлийдщ жэнe дицианамидтщ жэнe oлapдыц ^спасыныч гeoмeтpиялык к¥pылымыныц мoлeкyлaлык элeктpocтaтикaлык кapтaлapын зepттeдiк. Зapядтapдыц 1-бyтил-3-мeтилимидaзoлий мeн дицианамид apacындa opнaлacкaн aзoт атомыныц айналасында opнaлacкaнын кepyгe бoлaды.
Yшiншiдeн, мoлeкyлaлык opбитaльдapы иoндык c¥йыктыкrap peтiндe таза 1-бyтил-3-мeтилимидaзoлийдщжэнe дицианамидтщ жэнe oлapдыц KocracbrnbiR гeoмeтpиялык к¥pылымы Yшiн ^сынылган. 4-cyperre жoFapFы вaлeнттi opбитaлыныц нeгiзiнeн имидaзoлдыц айналасында opнaлacкaнын, ал тeмeнгi вaлeнтciз opбитaлдap калыптаскан иoндык c¥йыкrыктapдbщ цианид тобыныц айналасында opнaлacкaнын кepyгe бoлaды.
Тepтiншiдeн, 1-бyтил-3-мeтилимидaзoлийдщ Yшiн жалпы энepгия -31095.50 ккaл/мoль, ал дицианамид Yшiн жалпы энepгия -16446.40 ккал/^ль бoлды, ал иoндык с^йыктыкгыц тYзiлyiнe жалпы энepгия шaмaмeн -47814.20 ккал/шль бoлды. М^нда иoндык c¥йыктыктapдыц o^i тYзiлy пpoцeci Yшiн бaйлaныcтыpy энepгияcын тeмeндeгiдeй eceптeyгe бoлaды:
Бaйлaныcтыpy = -47814.20 ккал/^ль - (-31095.50 ккал/шль - 16446.40 ккaл/мoль) = -272.30 ккaл/мoль
Б^л жepдe, жoFapыдa ^л^^ген eceптeyдe бaйкaлFaндaй байланыс энepгияcынbщ мэш тeмeн, кдоамдас кoмпoнeнттepгe кapaFaндa 1-бутил-3-мeтилимидaзoлийдщ жэнe дицианамидтщ нeгiзiндeгi шндык с^йыктыктыц тeмeн балку тeмпepaтypacын кepceтeдi.
Екiншi бeлiмдe иoндык с^ык^к^ apкылы биooтыннaн 6oc май кышкылдapын aлyмeн байланысты. Бастапкыда таза линoл кышкылыныц, мeтиллинoлиaтrыц жэнe oлapдыц иoндык c¥йыктыкrapмeн биooтын peтiндeгi ^ст^^щ гeoмeтpиялык к^ылымын к¥pacтыpдык жэнe oцтaйлaндыpдык. 5-cypeттeн шндык с^йыктыктыц линoл кышкылы apacындaFы бaйлaныcтыpyшы aгeнт peтiндe эpeкeт eтeтiнiн анык кepyгe бoлaды. Иoндык с^йыктык жн 6oc май кышкылы apacындaFы erç кыска кашыктык 2 Â бoлды.
Екiншiдeн, иoндык ^^щ^к^н биooтын peтiндeгi таза линoл кышкылыныц, мeтиллинoлиaтrыц жэж oлapдыц ^ша^^щ гeoмeтpиялык K¥pылымыныц мoлeкyлaлык элeктpocтaтикaлык кapтaлapын зepттeдiк. 6-cyperre иoндык ^^х^ык^н биooтын peтiндeгi ливдл кышкылы, мeтиллинoлeaт жэнe oлapдыц ^cm^i^iR мoлeкyлaлык элeктpocтaтикaлык кapтaлapыныц нэтижeлepi кepceтiлгeн. Зapядтapдыц иoндык с^йыктык apкылы aзoттыц айналасында opнaлacкaнын кepyгe бoлaды.
Yшiншiдeн, жoFapFы вaлeнттi opбитaль жэнe тeмeнгi вaлeнтciз opбитaльдapы линoл кышкылыныц гeoмeтpиялык к¥pылымы Yшiн, мeтиллинoлиaтrыц жэнe oлapдыц иoндык с^ыктыктен биooтын peтiндeгi ^спасы Yшiн ^сынылган. 7-cypeтreн жoFapFы вaлeнттi opбитaлы нeгiзiнeн aзoт атомыныц айналасында opнaлacкaнын, ал LUMO калыптаскан шндык
суйыктыктыц имидазолий тобыньщ айналасында орналасканын керуге болады.
Тертiншiден, линол кышкылыныц жалпы энергиясы -74160.50 ккал/моль, ал метиллинолиаттыц жалпы энергиясы -77595.70 ккал/моль, ал иондык суйыктыктыц тYзiлу энергиясы -47814.20 ккал/моль. Иондык суйыктыкпен биоотыннан биоотынды алу процесi -201037.00 ккал/моль шамасында болды. Мунда иондык суйыктыктыц осы тYзiлу процесi Yшiн байланыстыру энергиясын темендегiдей есептеуге болады:
Байланыстыру = -201037.00 ккал/моль - (-47814.20 ккал/моль -77595.70 ккал/моль -74160.50 ккал/моль) = -1466.60 ккал/моль
Бул жерде жогарыда келпршген есептеуде байкалгандай байланыс энергиясыныц мэнi темен метиллинолаттан линол кышкылын экстракциялаудыц колайлы тиiмдiлiгiн керсетедь
4. Корытынды
Бул жумыста 1-бутил-3-метилимидазолийдщ жэне дицианамид негiзiндегi иондык суйыктыктардыц тYзiлуi, содан кейiн иондык суйыктыктар аркылы биоотыннан бос май кышкылыныц алынуын кванттык химиялык есептеулер аркылы зергтедiк. Жумысымыздыц бiрiншi белiгi азот атомыныц касындагы сутегi атомдары оцтайландырылган курылымдарга, молекулалык электростатикалык карталарга, молекулалык орбитальдарга жэне энергияларга сэйкес 1-бутил-3-метилимидазолий мен дицианамид арасында байланыстырушы атом ретшде керсегтi. Жумысымыздыц екiншi белт иондык суйыктыктыц ионыныц бос май кышкылын экстракциялаушы жэне байланыстырушы агент ретшде эрекет етедi деген корытындыга келдi.
Kазiргi жумыс иондык суйыктыктардыц биоотыннан бос май кышкылдарын экстракциялау процесш утымды жобалауга жэне жаксартуга кемектесуi мYмкiн.
Каржыландыру: Бул зерттеуге ^азакстан Республикасы Бтм жэне гылым министрлт Fылым комитетшщ №АР08052504 гранты колдау керсетгi, жэне №АР13268877 докторантурадан кейшп стипендиялык багдарламасымен каржыландырылды.
Мудделер кактьнысы: Авторлар бул макалада езара ¡мудделер кактыгысыныц жоктыгын мэл1мдейдг
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ БИОТОПЛИВА ОТ СВОБОДНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ИОННЫМИ ЖИДКОСТЯМИ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ
Сайлау Ж.А. 1*, Алмас Н.Ж.2, Тоштай К1, Алдонгарое А.А.3
1 Казахский Национальный Университет имени Аль-Фараби, Алматы, Казахстан 2Astana IT University, Нур-Султан, Казахстан
3Евразийский Национальный Университет имени Л.Н. Гумилева, Нур-Султан, Казахстан *e-mail: [email protected]
Резюме. Введение. Среди альтернативных источников энергии, таких как солнечная, ветровая и водородная энергия, биотопливо занимает особое место, поскольку обладает рядом полезных свойств. По сравнению с нынешней ценой на бензин цена на биотопливо очень низкая. При
использовании биотопливо выделяет меньше парниковых газов в окружающую среду и менее огнеопасно. Однако для поддержки биотоплива необходимо очистить его состав от ненужного глицерина, метанола и свободных жирных кислот. Свободные жирные кислоты в биотопливе легко воспламеняются и загрязняют автомобильные двигатели. Для очистки биотоплива были разработаны различные ионные жидкости. Одним из них является дицианамид 1-бутил-3-метилимидазолия. Целью данной работы является изучение состояния очистки свободных жирных кислот в биотопливе дицианамидом 1 -бутил-3-метилимидазолия на молекулярном уровне с использованием химических квантовых расчетов. Методология. Метод Нурег^етРМЗ использовался для квантово-химических расчетов химических структур, молекулярных электростатических потенциалов, молекулярных орбиталей, расстояний связей и энергий. Результаты работы. При изучении энергии связи, длины связи и структуры свободных жирных кислот в биотопливе с использованием дицианамида 1 -бутил-3-метилимидазолия было установлено, что существует прочная химическая связь между ионной жидкостью и свободной жирной кислотой. Известно, что свободные жирные кислоты в биотопливе химически связываются с атомами водорода, близкими к азоту в ионных жидкостях. Вывод. Это исследование будет способствовать рациональному конструированию ионных жидкостей и помогать развитию исследований, связанных с очисткой биотоплива от свободных жирных кислот.
Ключевые слова: дицианамид 1-бyтил-3-мeтилимидaзoлия, тонныге жидгасти, cвoбoдныe жиpныe ra^ora, биoтoпливo, дoбычa
CaÜRay Жacyлaн Асхаш^лы докторант PhD
Алмасов HypRaH Жyмабeкович постдокторант PhD.
Тошшай KaÜHay6eK доктор PhD.
Алдонгаров AHyap Акылханович доктор PhD, доцент
References
1. Züttel A., Remhof A., Borgschulte A., Friedrichs O. Hydrogen: the future energy carrier. Phil. Trans. RoyalSoc., 2010, 368(1923), 3329-3342. DOI: 10.1098/rsta.2010.0113
2. Su D.S., Centi G.A perspective on carbon materials for future energy application. J. Energy Chem., 2013, 22(2), 151-173. DOI: 10.1016/S2095-4956(13)60022-4
3. Schlögl R. The role of chemistry in the energy challenge. Chem. Sus. Chem., 2010, 3(2), 209222. DOI: 10.1002/cssc.200900183
4. Crabtree R.H. An organometallic future in green and energy chemistry? Organometallics, 2011, 30(1), 17-19. DOI: 10.1021/om1009439
5. Zhou Q., Ma J., Dong S., Li X., Cui G. Intermolecular chemistry in solid polymer electrolytes for high-energy-density lithium batteries. Adv. Mat., 2019, 31(50), 1902029. DOI: 10.1002/adma.201902029
6. Demirbas A. Biofuels sources, biofuel policy, biofuel economy and global biofuel projections. Energy Conves. Manag., 2008, 49(8), 2106-2116. DOI: 10.1016/j.enconman.2008.02.020
7. Bullen R.A., Arnot T.C., Lakeman J.B., Walsh F.C. Biofuel cells and their development. Biosens. Bioelectron, 2006, 21(11), 2015-2045. DOI: 10.1016/j.bios.2006.01.030
8. Sims R.E., Mabee W., Saddler J.N., Taylor M. An overview of second generation biofuel technologies. Bioresour. Technol., 2010, 101(6), 1570-1580. DOI: 10.1016/j.biortech.2009.11.046
9. Joshi G., Pandey J.K., Rana S., Rawat D.S. Challenges and opportunities for the application of biofuel. Renew. Sustain. Energy Rev., 2017, 79, 850-866. DOI: 10.1016/j.rser.2017.05.185
10. Gressel J. Transgenics are imperative for biofuel crops. Plant Sci. J., 2008, 174(3), 246-263. DOI: 10.1016/j.plantsci.2007.11.009
11. Weldekidan H., Strezov V., Town G. Review of solar energy for biofuel extraction. Renew. Sustain. Energy Rev., 2018, 88, 184-192. DOI: 10.1016/j.rser.2018.02.027
12. Li P., Sakuragi K., Makino H. Extraction techniques in sustainable biofuel production: A concise review. Fuel Process. Technol., 2019, 193, 295-303. DOI: 10.1016/j.fuproc.2019.05.009
13. Lovejoy K.S., Davis L.E., McClellan L.M., Lillo A.M., Welsh J.D., Schmidt E.N., Sanders C.K., Lou A.J., Fox D.T., Koppisch A.T., Del Sesto R.E. Evaluation of ionic liquids on phototrophic microbes and their use in biofuel extraction and isolation. J. Appl. Phycol., 2013, 25(4), 973-981. DOI:
10.1007/s10811 -012-9907-0
14. Shalaby E.A. Biofuel: sources, extraction and determination. Liquid, gaseous and solid biofuels-conversion techniques. InTech, 2013, 451-78. DOI: 10.5772/51943
15. Sharmila S., Rebecca L.J., Chandran P.N., Kowsalya E., Dutta H., Ray S., Kripanand N.R. Extraction of biofuel from seaweed and analyse its engine performance. Int. J. Pharm. Technol., 2015, 7(2), 8870-8875. ISSN: 0975-766X
16. Fadeev A.G., Meagher M.M. Opportunities for ionic liquids in recovery of biofuels. ChemComm, 2001, (3), 295-296. DOI: 10.1039/B006102F
17. Simoni L.D., Chapeaux A., Brennecke J.F., Stadtherr M.A. Extraction of biofuels and biofeedstocks from aqueous solutions using ionic liquids. Comput. Chem. Eng., 2010, 34(9), 1406-1412. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2010.02.020
18. Liu C.Z., Wang F., Stiles A.R., Guo C. Ionic liquids for biofuel production: opportunities and challenges. Appl. Energy, 2012, 92, 406-414. DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.11.031
19. Khraisheh M., AlMomani F., Inamdar M., Hassan M.K., Al-Ghouti M.A. Ionic liquids application for wastewater treatment and biofuel production: A mini review. J. Mol. Liq., 2021, 337, 116421. DOI: 10.1016/j. molliq.2021.116421
20. Lovejoy K.S., Davis L.E., McClellan L.M., Lillo A.M., Welsh J.D., Schmidt E.N., Sanders C.K., Lou A.J., Fox D.T., Koppisch A.T., Del Sesto R.E. Evaluation of ionic liquids on phototrophic microbes and their use in biofuel extraction and isolation. J. Appl. Phycol., 2013, 25(4), 973-981. DOI: 10.1007/s10811-012-9907-0
21. Abdellatif F.H.H., Babin J., Arnal-Herault C., David L., Jonquieres A. Grafting cellulose acetate with ionic liquids for biofuel purification membranes: Influence of the anion. Carbohydr. Polym., 2018, 196, 176-186. DOI: 10.1016/j.carbpol.2018.05.008
22. Xie H., Zhao Z.K. Biofuel production with ionic liquids. In Production of Biofuels and Chemicals with Ionic Liquids, 2014, 171-193. DOI: 10.1007/978-94-007-7711-8_7
23. Abushammala H., Mao J. A review on the partial and complete dissolution and fractionation of wood and lignocelluloses using imidazolium ionic liquids. Polymers, 2020, 12(1), 195. DOI: 10.3390/polym12010195
24. Pezoa-Conte R., Leyton A., Anugwom I., Von Schoultz S., Paranko J., Maki-Arvela P., Willfor S., Muszynski M., Nowicki J., Lienqueo M.E., Mikkola, J.P. Deconstruction of the green alga Ulva rigida in ionic liquids: closing the mass balance. Algal Res., 2015, 12, 262-273. DOI: 10.1016/j.algal.2015.09.011
25. Manic M.S., Najdanovic-Visak V., da Ponte M.N., Visak Z.P. Extraction of free fatty acids from soybean oil using ionic liquids or poly (ethyleneglycol)s. Aiche J., 2011, 57(5), 1344-1355. DOI: 10.1002/aic.12349
