NdAlO3 나노 촉매를 이용한 바이오 디젤 합성 연구

바이오 디젤 합성은 희토류 기반의 혼합 산화물 나노 입자와 카놀라유의 이종 촉매 작용을 통해 수행되었습니다. 촉매 합성 (NdAlO3)은 나노 입자 합성을 위해 Pechini가 제안한 방법을 기반으로 수행되었습니다. 열 중량 분석-차등 열 분석 (TGA-DTA) 분석은 소성에 대한 최적의 조건을 설정하기 위해 나노 입자 전구체 겔에서 수행되었으며, 24 시간 동안 800 °C입니다. 대략적인 크기가 100 nm 인 순수한 NdAlO3 화합물을 얻었다. 에스테르 교환 반응의 생성물은 가스 크로마토그래피, FTIR 및 NMR을 사용하여 분석되었습니다. 최적의 반응 조건, 즉 온도 효과, 반응 시간, 메탄올:오일 질량 비율 및 촉매의 재활용 가능성을 결정했습니다. 이 연구는 다음과 같은 최적 조건을 보여주었습니다. 200 ° C, 5 시간, 메탄올 : 오일 질량 비율 6 : 1, 촉매 활성의 지속적인 감소가 최대 6 회 재사용 동안 관찰되었으며, 나중에는 약에서 일정하게 유지되었습니다. 50 % 전환율. 최적 조건에서 얻은 최대 바이오 디젤 수율은 약 75 %였습니다. 반응 생성물을 분석 한 결과 잔류 오일은 원료 오일과 다른 화학적 조성을 보였으며 얻은 바이오 디젤과 글리세롤은 모두 고순도임을 보여 주었다. 화석 연료의 사용과 남용으로 인한 오염은 지속 가능한 에너지 대안을 모색하는 동기가 되었습니다. 이러한 의미에서 의심 할 여지없이 바이오 디젤은 미네랄 디젤 소비를 줄이는 데 사용할 수있는 진정한 대안입니다. 바이오 디젤은 동물성 지방에서도 얻을 수 있지만 식물성 기름의 파생물이므로 환경 친화적 인 연료입니다. 바이오 디젤은 무독성, 생분해성, 황, 발암 성 화합물 및 분자에 산소가 포함되어 있기 때문에 청정 연료로 간주 될 수 있습니다. 화석 연료의 대체 연료로 바이오 디젤을 사용하는 것은 CO2 배출 감소에 직접적인 영향을 미칩니다. 그 연소는 식물이 성장에 사용하는 인위적 CO2를 방출하기 때문입니다. 또한 바이오 디젤을 연소하는 동안 얻은 에너지는 실제로 식물이 광합성 활동을 수행하는 데 사용하는 태양 에너지입니다. 이것은 온실 가스 배출을 줄이는 데 기여하는 청정 연료로 간주되어야 할 추가 기능입니다. 바이오 디젤 합성은 촉매 반응이 균질하거나 불균일 할 수 있는 촉매의 존재 하에서 유리 지방산의 함량에 따라 식물성 오일의 에스테르화 또는 에스테르 교환 과정을 사용하여 수행 할 수 있습니다. 대부분의 연구는 높은 수율과 낮은 반응 시간으로 인해 균질 한 시스템을 기반으로 한 식물성 기름의 에스테르 교환 반응 연구에 초점을 맞추고 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 균질 촉매는 NaOH 및 KOH의 메탄올 용액을 기반으로 하며, 오일과 혼합하면 반응 혼합물의 접촉에 유리한 단일 상을 형성하여 물질 전달 저항을 최소화하여 반응 속도를 증가시킵니다. 그러나이 시스템의 주요 단점은 다음과 같습니다. 고순도 원료 사용 (수분 없음 및 유리 지방산 함량이 낮음), 촉매는 부식성이며 복구 불가능하며, 고품질을 얻기 위해 여러 단계의 정제를 사용합니다. 바이오 디젤과 조 글리세롤의 정제는 수익성이 없습니다. 불균일 촉매를 사용하는 경우 반응 혼합물은 낮은 반응 속도와 낮은 바이오 디젤 수율을 유발하는 많은 물질 전달 문제에 직면하는 혼합 불가능한 시스템 (오일-메탄올-촉매)을 형성합니다. 그러나 주요 이점은 촉매의 회수 및 재사용, 반응 생성물의 고순도, 환경에 대한 오염 물질 배출 감소, 생산 비용 절감입니다. 균질 촉매와는 달리 이종 촉매는 회수 및 재활용이 용이하기 때문에 녹색 촉매로 간주 될 수 있습니다. 또한 혼합 금속 산화물을 기반으로 하는 많은 고체 촉매는 유리 지방산과 수분의 존재에 대한 내성을 보여주었습니다. 많은 연구에 따르면 희토류 기반 산화물은 식물성 기름의 에스테르 화 및 에스테르 교환을 수행하는 데 사용될 수 있습니다. 희토류 산화물의 우수한 촉매 활성은 CaO의 촉매 활성과 비슷하며 이는 결정 구조와 양이온 반경에 의해 결정됩니다. 그러나 주요 단점 중 하나는 촉매의 침출로, 균질 촉매에서 달성 한 성능에 필적하는 성능을 얻기 위해 필요한 더 긴 반응 시간 외에도 안정성과 촉매 활성을 감소시킵니다. 이종 촉매가 제공하는 다양한 장점, 특히 염기성 특성으로 인해 에스테르 교환 반응을 위한 새로운 촉매를 찾는 것이 중요합니다. 각각의 이질적인 촉매는 다르게 행동하기 때문에 가장 짧은 반응 시간에 가능한 가장 높은 수율을 달성하기 위한 최적의 반응 조건을 결정하기 위해서는 더 많은 조사가 필요합니다. 이러한 의미에서 희토류 기반의 페로브 스카이 트형 혼합 산화물은 단순 희토류 산화물이나 다른 산화물 (예: α-Al2O3)에지지된 희토류 산화물보다 화학적 안정성이 더 큽니다. 그것의 더 큰 화학적 안정성은 그것의 침출이 현저히 감소 될 수 있고 따라서 가능한 활성 손실이 감소되기 때문에 이점이다. 따라서 이 연구의 목적은 바이오 디젤 합성을 수행하기 위한 촉매로서 NdAlO3 페로브스카이트의 잠재적 인 사용을 탐구하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 NdAlO3 나노 입자의 합성 및 특성화와 카놀라유의 바이오 디젤 합성에서 촉매 활성 평가를 고려합니다. 졸-겔 공정을 이용하여 나노 입자를 합성하였으며, 촉매 활성은 메탄올:오일 비율, 온도, 반응 시간 및 촉매 재활용 가능성을 기준으로 결정되었습니다. 반응 생성물은 FTIR, NMR 및 가스 크로마토그래피를 사용하여 분석되었습니다. 이 연구에서는 바이오 디젤 합성에서 NdAlO3 나노 입자의 촉매 능력을 평가했습니다. 나노 입자는 졸-겔 공정을 사용하여 합성되었으며, 열처리를 통해 100nm 정도의 입자 크기를 갖는 순수한 NdAlO3 화합물이 생성되었습니다. 반응 온도를 높이면 바이오 디젤 수율이 증가하는 것으로 밝혀 졌는데 이는 반응물의 혼 화성이 증가했기 때문일 수 있습니다. 혼화성의 증가는 물질 전달 저항을 감소시키고 촉매의 활성 부위와의 접촉이 선호되었다. 유사하게, 메탄올의 농도를 증가 시키면 바이오 디젤의 수율이 증가했습니다. 이 효과는 가용화 된 메탄올의 농도 증가 때문일 수 있습니다. 유사하게, 반응 시간을 증가시킴으로써, 시간의 함수로서 바이오 디젤 수율의 선형 증가가 관찰되었다. 촉매는 6 회 재사용 할 때까지 촉매 활성이 34 % 감소했다. 그 이후에도 그 활동은 50 % 바이오 디젤 수율로 일정하게 유지되었습니다. 촉매는 결정 구조에 변화가 없었지만 활성 손실은 나노 입자 클러스터의 형성으로 인한 것일 수 있으며, 아마도 도달 한 높은 반응 압력 때문일 수 있습니다. 촉매 에스테르 교환 과정 후 발견 된 잔류 오일은 소스 카놀라 오일과 완전히 다른 화학적 조성을 나타냄을 관찰했습니다. 잔류 오일의 화학적 조성의 변화는 에스테르 교환 반응의 가역성 또는 글리세롤 백본의 sn-1 및 sn-3 위치에서 반응이 선호 되었기 때문일 수 있습니다. 또한 조 바이오 디젤과 조 글리세롤 모두 고순도로 생산되었습니다.