CC BY
15
Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 3 (55). С. 56-62. Don agrarian science bulletin. 2021; 3 (55): 56-62.
Научная статья УДК 620.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИНТЕЗА БИОТОПЛИВА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА Игорь Вячеславович Бусин1, Юлия Владимировна Мещерякова1
1 Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, Тамбов, Россия, viitin-adm@mail.ru
Аннотация. Использование биодизельного топлива в качестве добавки к дизельному является одним из перспективных направлений развития возобновляемой энергетики на сельских территориях. С целью интенсификации технологических процессов в различных областях науки и техники очень широко используется ультразвуковое кавитацион-ное воздействие. Целью данного исследования является подбор оптимальных параметров синтеза (время синтеза, масса катализатора, масса спирта) биодизельного топлива при обработке на ультразвуковой установке. Синтезировали биотопливо из растительных масел в присутствии спирта и щелочного гомогенного катализатора с использованием звуковых волн высокой частоты на установке Qsonicasonicators Q700 с частотой механических колебаний 20 кГц и максимально излучаемой мощностью до 700 Вт. В качестве плана проведения эксперимента был выбран центрально-композиционный план второго порядка, с количеством опытов в центре плана равным 4 и звездным плечом для трех-факторного эксперимента а= 1,414. За критерий оптимизации Y была принята масса получаемого глицерина. В качестве исходных факторов исследуемого процесса взяты: время синтеза X1; масса спирта X2; масса катализатора X3. Использование ультразвуковых колебаний положительно влияет на процесс синтеза биотоплива из растительных масел. В результате решения полученного уравнения регрессии установлено, что оптимальные значения параметров синтеза для достижения заданного значения глицериновой фазы составляет: время 40-112 с синтеза; концентрация спирта 1523%; концентрация катализатора 0,8-1,6%. Таким образом, ультразвук позволит сократить время реакции и снизить количество исходных реагентов.
Ключевые слова: биотопливо, катализатор, спирт, время, ультразвук, многофакторный эксперимент, возобновляемая энергетика, сельское хозяйство
Для цитирования: Бусин И.В., Мещерякова Ю.В. Исследование параметров синтеза биотоплива под воздействием ультразвука // Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 3 (55). С. 56-62.
Original article
RESEARCH OF PARAMETERS OF SYNTHESIS OF BIOFUEL UNDER THE INFLUENCE OF ULTRASONIC Igor Vyacheslavovich Busin1, Yulia Vladimirovna Meshcheryakova1
1All-Russian Scientific Research Institute for the Use of Equipment and Oil Products in Agriculture, Tambov, Russia, viitin-adm@mail.ru
Abstract. The use of biodiesel as an additive to the presence is one of the prospects for the development of renewable energy sources in the territories. For the intensification of technological processes in various fields of science and technology, the ultrasonic cavitation effect is very widely used. The purpose of this study is to select the optimal synthesis parameters (synthesis time, catalyst mass, alcohol mass) of biodiesel during processing on an ultrasound machine. Biofuels were synthesized from vegetable oils in the presence of alcohol and an alkaline homogeneous catalyst using high-frequency sound waves in a Qsonicasonicators Q700 unit with a mechanical oscillation frequency of 20 kHz and a maximum consumption of 700 watts. The central composite plane of the second order with the number of experiments in the center of the plane equal to 4 and the star-shaped arm for the three-factor experiment a=1,414 was chosen as the experimental plane. For the optimization criterion, the obtained glycerin mass was taken. The initial factors of the process under study are taken (synthesis time x1, alcohol weight x2, and catalyst weight x3). The use of ultrasonic vibrations has a positive effect on the synthesis of biofuels from vegetable oils. As a result of solving the obtained regression equation, it was found that the optimal values of the synthesis parameters for achieving the set value of the glycerol phase are the synthesis time of 40-112 seconds; the alcohol concentration of 15-23%; the catalyst concentration of 0,8-1,6%. Thus, ultrasound will reduce the reaction time and reduce the number of initial reagents.
Keywords: biofuels, catalyst, alcohol, time, ultrasound, multi-factor experiment, renewable energy, agriculture
For citation: Busin I.V., Meshcheryakova Yu.V. Research of parameters of synthesis of biofuel under the influence of ultrasonic. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2021; 3 (55): 56-62. (In Russ.)
© Бусин И.В., Мещерякова Ю.В., 2021
Введение. Одним из направлений использования возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве является биотопливо, полученное из растительных масел непищевых культур. Чаще всего для получения биодизельного топлива используются масла подсолнечника, рапса, сои, льна, кукурузы. Однако все это культуры продовольственного назначения. В качестве непищевых культур может выступать масло микроводорослей, молочая, индау. Также для получения биодизельного топлива возможно использование отработанных некондиционных растительных масел.
Технологией получения биодизельного топлива и её конструктивным оформлением занимается ФГБНУ ВНиИТиН на протяжении нескольких лет. В качестве реакторов для синтеза выступали различные установки: реакторы с магнитной мешалкой, реакторы с ферромагнитными частицами, реакторы вихревого типа [1-10]. Известно, что использование ультразвуковых колебаний ускоряет проведение процесса, улучшает качество конечных продуктов, способствует снижению исходных реагентов. В процессе ультразвуковой обработки в жидкости спирт-масло образуются пульсирующие пузырьки, которые через некоторые время захлопываются, порождая гидродинамические возмущения в смеси, что приводит к активации молекул и интенсификации процесса синтеза.
Целью данного исследования является подбор оптимальных значений синтеза (время синтеза, масса катализатора, масса спирта) биодизельного топлива при обработке на ультразвуковой установке.
Материалы и методы. Топливо из растительного сырья (биотопливо) получали по реакции переэтерификации на ультразвуковой
установке Qsonicasonicators Q700 с частотой механических колебаний 20 кГц и максимально излучаемой мощностью до 700 Вт. Интенсивность составила 127-142 Вт/см2. Ультразвуковая ванна представляет собой цилиндр объемом 60 мл. В качестве исходных продуктов для синтеза использовали масло рыжика (массой 44 г), метиловый спирт и гомогенный катализатор (гидроксид калия). Рыжик посевной (лат. СатёНпа satTva) - травянистое растение из рода Рыжик семейства Капустные. Синтез проводили при температуре 62 °С, чуть ниже температуры кипения метилового спирта.
Для проведения многофакторного эксперимента по изучению влияния звуковых колебаний высокой частоты на протекание реакции переэтерификации был выбран центрально-композиционный план второго порядка. Для данного плана характерна четырехкратная по-вторность в центре плана и звездное плечо а= 1,414 (план Бокса-Уилсона).
При изучении процесса синтезирования биотоплива с использованием звуковых волн высокой частоты за критерий оптимизации <М> была принята масса получаемого глицерина. Известно, что при успешном синтезе количество полученного глицерина должно быть от 9 до 12% (в нашем случае 7-9 г), получение меньшего количества свидетельствует о неполном прохождении реакции, большее количество свидетельствует о процессе омыления.
В качестве исходных факторов исследуемого процесса взяты: время синтеза, масса спирта и масса катализатора Х1, Х2, Хз соответственно. В таблице 1 представлены входные факторы исследуемого процесса и их уровни варьирования.
Факторы Factors Обозначение Designation Уровни варьирования Variation levels
-1,414 -1 0 +1 +1,414
Время синтеза (Т, с) Synthesis time (Т, s) Xi 17 44 112 180 208
Масса спирта (г) Weight of alcohol (g) X2 3,5 4,4 6,6 9 9,7
Масса катализатора (г) Catalyst weight (g) X3 0,35 0,44 0,66 0,9 0,97
Таблица 1 - Интервалы и уровни варьирования входных факторов Table 1 - Intervals and levels of variation of input factors
Статистическая обработка опытных данных, полученных в ходе проведения экспериментов, выполнялась с использованием пакетов программ Microsoft Exel и Mathcad.
Результаты исследований и их обсуждение. В таблице 2 представлены результаты 18 проведенных экспериментов по параметрам, заданным стандартной матрицей.
Таблица 2 - Результаты проведения экспериментов по стандартной матрице Table 2 - Results of experiments on a standard matrix
№ опыта Experience number Y, г Внешний вид продуктов синтеза Synthesis products appearance
1 0 разделение фаз отсутствует; реакция не прошла no phase separation; no reaction
2 5 реакция прошла не полностью not completely reaction
3 6,63 реакция прошла reaction passed
4 7,4 реакция прошла reaction passed
5 8,98 реакция прошла reaction passed
6 3 реакция прошла не полностью not completely reaction
7 10,1 реакция прошла reaction passed
8 10,37 реакция прошла reaction passed
9 8,0 реакция прошла reaction passed
10 8,1 реакция прошла reaction passec^
11 7,9 реакция прошла reaction passed
12 8,05 реакция прошла reaction passed
13 7,04 реакция прошла reaction passed
14 0 разделение фаз отсутствует; реакция не прошла no phase separation; no reaction
15 7,61 реакция прошла reaction passed
16 0 разделение фаз отсутствует; реакция не прошла no phase separation; no reaction
17 9,7 реакция прошла reaction passed
18 6,16 реакция прошла не полностью not completely reaction
В таблице 3 представлены значения и случае для трёх степеней свободы и 95%-ном значимость коэффициентов регрессии. В нашем уровне значимости ? = 1,78.
Таблица 3 - Величина и значимость коэффициентов регрессии Table 3 - The magnitude and significance of the regression coefficients
Наименование коэффициента Coefficient name Величина The magnitude Значимость коэффициента Significance of the coefficient
Ci 7,376 Значим significant
C2 0,835 Значим significant
Сз 2,357 Значим significant
C4 1,536 Значим significant
C5 0,253 Не значим non-significant
Ce -1,435 Значим significant
C7 -0,067 Не значим non-significant
C8 -1,304 Значим significant
C9 -1,162 Значим significant
C10 0,901 Значим significant
Полученное уравнение регрессии будет выглядеть следующим образом:
У = С1 + с2 • + Сз • Хг + С4 • Хз + с6 • • Хз + с8 • + с9 • Х22 + Сю • Хз2 . (1)
Ниже приведены сечения поверхности откликов (рисунки 1-3) и уравнения регрессии (2) - (4) при нулевых значениях Х1, Х2 и Хз.
У = Г(Х1,Х2) = С1 + С2^Х1+Сз^Х2+С5^Х^Х2 + С8^Х12+С9^Х22. (2)
О 0.79 1.58 2.37 3.1G 3.95 4.74 5.53 G.32 7.11 7.9
а б
Рисунок 1 - Поверхность отклика Y = f(X1, Х2) (а), сечение поверхности откликов Xi,X2 (б) при нулевом уровне Хз Figure 1 - Response surface Y = f(X1,X2) (а), cross-section of the response surface Xi,X (б) at zero level Хз
Оптимальное значение времени входит в 0,25 до 1,5, что соответствует 95-200 с и 8,4-интервал от -0,25 до 1,3, масса спирта - от 10,2 г.
У = Г(Х1,Х2) = с1 + с2^Х1 + с4^Х3 + с6^Х^Х3 + с8^Х12 + с10 • Х32. (3)
а
б
Рисунок 2 - Поверхность отклика Y = f(X1, Х3) (а), сечение поверхности откликов Х1,Хэ (б) при нулевом уровне X2 Figure 2 - Response surface Y = f(X1, X3) (а), cross-section of the response surface Х1,Хэ (б) at zero level X2
Оптимальное значение времени входит в от 0,1 до 1,2, что соответствует 10-214 с и 0,68-интервал от -1,5 до 1,2, масса катализатора - 0,95 г.
У = f(XvX3) = С1 + с3^Х2 + с^Х3 + стХ^Х3 + с9^Х22 + с10 • Х32.
(4)
а
б
Рисунок 3 - Поверхность отклика Y=f(X2,X3) (а), сечение поверхности откликов Х2,Хэ (б) при нулевом уровне X1 Figure 3 - Response surface Y=f(X2,X3) (а), cross-section of the response surface Х2,Хэ (б) at zero level X1
Оптимальное значение массы спирта входит в интервал от -1,5 до 1,2, массы катализатора от -1,5 до -0,3, что соответствует 6,6-10 г и 0,36-0,6 г.
Увеличение времени синтеза не значительно влияет на выход конечного продукта, достаточно 44 секунд для прохождения реакции и получения 10% глицериновой фазы. В результате решения полученного уравнения регрессии установлено, что оптимальные значения параметров синтеза для достижения заданного значения глицериновой фазы составляет: время синтеза 40-112 с; концентрация спирта - 1523%; концентрация катализатора - 0,8-1,6%.
Выводы. Использование ультразвуковых колебаний положительно влияет на процесс синтеза биотоплива из растительных масел. В результате проведенных исследований установлены параметры для достижения оптимальных значений концентрации глицериновой фазы: время синтеза - 40-112 с; концентрация спирта - 15-23%; концентрация катализатора -0,8-1,6%. Таким образом, ультразвук позволит сократить время реакции и снизить количество исходных реагентов.
Список источников
1. Nabi M.N., Rasul M.G., Anwar M., Mullins B.J. Energy, exergy, performance, emission and combustion characteristics of diesel engine using new series of non-edible biodiesels // Renewable energy. 2019. Vol. 140. P. 647-657.
2. Anis S., Budiandono G.N. Investigation of the effects of preheating temperature of biodiesel-diesel fuel blends on spray characteristics and injection pump performances // Renewable energy. 2019. Vol. 140. P. 274-280.
3. Wang L.K., Ivanov V., Tay J.-H. Environmental Biotechnology. New York: Humana Press, c/o Springer Science + Business Media. 2010. 975 p.
4. Leonte C., Bulgariu L., Robu B., Robu T., Simioni-uc D. Study of biodiesel production from oilseed plants ii. Evaluation of biodisel production from some cultivars of rapes // Environmental Engineering and Management Journal. 2010. Vol. 9.
5. Нагорнов С.А., Корнев А.Ю., Романцова С.В., Ликсутина А.П., Бусин И.В. Интенсификация процессов массообмена в аппаратах для получения биотоплива // Проблемы и перспективы инновационного развития АПК: сборник научных докладов Международной научно-практической конференции, посвященной 40-летию ФГБНУ ВНИИТиН. 2020. С. 203-205.
6. Улюкина Е.А. Перспективы применения биотоплива при эксплуатации сельскохозяйственной и мобильной техники // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2019. № 57. С. 183193.
7. Мещерякова Ю.В., Нагорнов С.А. Получение сырья для биодизельного топлива на основе масла микроводоросли хлорелла // Инновации в сельском хозяйстве. 2013. № 3 (5). С. 39-41.
8. Корнев А.Ю., Бусин И.В., Нагорнов С.А., Ликсутина А.П., Мещерякова Ю.В. Исследование влияния наноструктурированного углерода на физико-химические свойства нефтепродуктов // Актуальные вопросы электрохимии, экологии и защиты коррозии: материалы Международной конференции, посвященной памяти профессора В.И. Вигдоровича. 2019. С. 299-303.
9. Улюкина Е.А. Особенности применения биотоплива в сельскохозяйственном производстве // Вестник Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина. 2019. № 6 (94). С. 23-27.
10. Корнев А.Ю., Романцова С.В., Нагорнов С.А., Алибаев Б.Т Синтез противоизносных компонентов топлива из возобновляемого сырья // Инновации в сельском хозяйстве. 2017. № 1 (22). С. 170-175.
References
1. Nabi M.N., Rasul M.G., Anwar M., Mullins B.J. Energy, exergy, performance, emission and combustion characteristics of diesel engine using new series of non-edible biodiesels. Renewable energy. 2019; 140: 647-657.
2. Anis S., Budiandono G.N. Investigation of the effects of preheating temperature of biodiesel-diesel fuel blends on spray characteristics and injection pump performances. Renewable energy. 2019; 140: 274-280.
3. Wang L.K., Ivanov V., Tay J.H. Environmental Biotechnology, New York Humana Press, c/o Springer Science + Business Media, 2010. 975 p.
4. Leonte C., Bulgariu L., Robu B., Robu T., Simioni-uc D. Study of biodiesel production from oilseed plants ii. Evaluation of biodisel production from some cultivars of rapes. Environmental Engineering and Management Journal. 2010; 9.
5. Nagornov S.A., Kornev A.Ju., Romancova S.V., Liksutina A.P., Busin I.V. Intensifikatsiya protsessov mas-soobmena v apparatakh dlya polucheniya biotopliva (Intensification of mass transfer processes in biofuel production machines). Problemy i perspektivy innovatsionnogo razvitiya APK. Sbornik nauchnykh dokladov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashhennoy 40-letiyu FGBNU VNIITiN, 2020, pp. 203-205. (In Russ.)
6. Ulyukina E.A. Perspektivy primeneniya biotopliva pri ekspluatatsii sel'skohozyaystvennoy i mobil'noy tekhniki (Prospects for the use of biofuels in the operation of agricultural and mobile equipment). Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; 57: 183193. (In Russ.)
7. Meshheryakova Ju.V., Nagornov S.A. Poluchenie syr'ya dlya biodizel'nogo topliva na osnove masla mikrovodorosli khlorella (Production of raw materials for biodiesel based on microalgae oil chlorella). Innovatsii v sel'skom hozyaystve. 2013; 3 (5): 39-41. (In Russ.)
8. Kornev A.Ju., Busin I.V., Nagornov S.A., Liksutina A.P., Meshheryakova Ju.V. Issledovanie vliyaniya nano-strukturirovannogo ugleroda na fiziko-khimicheskie svoystva nefteproduktov (Investigation of the effect of nanostructured carbon on the physical and chemical properties of petroleum
products). Aktual'nye voprosy elektrokhimii, ekologii i zashhity korrozii. Materialy Mezhdunarodnoy konferentsii, posvya-shchennoy pamyati professora V.I. Vigdorovicha, 2019, pp. 299-303. (In Russ.)
9. Ulyukina E.A. Osobennosti primeneniya biotopliva v sel'skokhozyaystvennom proizvodstve (Features of the use of biofuels in agricultural production). Vestnik Moskovskogo
gosudarstvennogo agroinzhenernogo universiteta imeni V.P. Goryachkina. 2019; 6 (94): 23-27. (In Russ.)
10. Kornev A.Ju., Romantsova S.V., Nagornov S.A., Alibaev B.T. Sintez protivoiznosnykh komponentov topliva iz vozobnovlyaemogo syr'ja (Synthesis of anti-wear components of fuels from renewable raw materials). Innovatsii v sel'skom khozyaystve. 2017; 1 (22): 170-175. (In Russ.)
Информация об авторах
И.В. Бусин - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, Тамбов, Россия. Тел.: +7-953-708-24-80. E-mail: igorek19883108@mail.ru.
Ю.В. Мещерякова - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, Тамбов, Россия. Тел.: +7-915-676-70-78. E-mail: yulya-belova@yandex.ru.
I^l Юлия Владимировна Мещерякова, e-mail: yulya-belova@yandex.ru.
Information about the authors
I.V. Busin - Candidate of Technical Sciences, senior researcher, All-Russian Research Institute for the Use of Equipment and Oil Products in Agriculture, Tambov, Russia. Phone: +7-953-708-24-80. E-mail: igorek19883108@mail.ru.
Yu.V. Meshcheryakova - Candidate of Technical Sciences, senior researcher, All-Russian Research Institute for the Use of Equipment and Oil Products in Agriculture, Tambov, Russia. Phone: +7-915-676-70-78. E-mail: yulya-belova@yandex.ru. ^ Yulia Vladimirovna Meshcheryakova, e-mail: yulya-belova@yandex.ru.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflict of interests.
Статья поступила в редакцию 28.05.2021; одобрена после рецензирования 07.07.2021; принята к публикации 09.07.2021. The article was submitted 28.05.2021 ; approved after reviewing 07.07.2021; accepted for publication 09.07.2021.
