Katalytisches Hydrocracken von Jatrophaöl über natürlichem Ton für Bio

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13419 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Derzeit erfreut sich die Umwandlung von Biomasse zur Herstellung hochwertiger Biokraftstoffe wie Biodiesel und Bio-Flugzeugtreibstoff wachsender Beliebtheit, da ihre Verwendung zum teilweisen Ersatz von Erdölkraftstoffen in unterschiedlichen Verhältnissen aufgrund des Problems der Erschöpfung der Erdölreserven und der Umwelt eine vielversprechende Lösung darstellt Zwecke. Nicht essbares Jatropha-Öl kann in Biokraftstoff umgewandelt werden, wenn es einem Hydrocracken bei Wasserstoffdruck unter Verwendung eines aktivierten natürlichen Tons als Katalysator in einem Hochdruck-Batch-Reaktor unterzogen wird. Die Art des Produkts sowie seine Qualität und Quantität hängen von den Prozessbedingungen wie Reaktionszeit, Temperatur sowie Art, Form und Menge des Katalysators ab. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, den Hydrocracking-Prozess von Jatropha-Öl unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Der Katalysator wird mittels SEM, FTIR, RFA und XRD charakterisiert. Die Auswirkungen von Variationen der Prozessbedingungen wurden untersucht und diskutiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die höchste Ausbeute an 40 %igem Biotreibstoff bei einer Temperatur von 350 °C, einem H2-Druck von 4 bar und einer Reaktionszeit von 18 Minuten erreicht wurde. Die Biotreibstoffprodukte wurden getestet und ihre Spezifikationen entsprachen den ASTM D1655-Spezifikationen, nämlich dem Gefrierpunkt (−56 °C), dem Flammpunkt (53 °C) und dem vorhandenen Gummigehalt (5,9 mg/100 ml).

Die Nachfrage und das Angebot an Energie in der Welt stehen vor mehreren Herausforderungen. Der weltweite Anstieg des Erdölverbrauchs wirkt sich auf die Reserven an fossilen Brennstoffen aus. Der tägliche weltweite Gesamtverbrauch an Erdöl erreichte im Jahr 2022 99,56 Millionen Barrel. Die geschätzten Erdölreserven werden bei der aktuellen Verbrauchsrate von 2,7 % pro Jahr in weniger als fünfzig Jahren erschöpft sein 1,2. Auch die Emissionen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, tragen maßgeblich zur globalen Erwärmung und Umweltverschmutzung bei3,4,5. Umweltbewusstsein, die Erschöpfung fossiler Brennstoffe sowie der Anstieg des Energieverbrauchs und der Preise sind die Hauptfaktoren, die zur Suche nach alternativen Energiequellen als Ersatz für fossile Brennstoffe führen4,6,7,8.

Erneuerbare Energiequellen verringern die Wirkung von Treibhausgasen und sind fossilen Brennstoffen hinsichtlich ihrer geringeren SOx-, CO- und CO2-Emissionen überlegen9. Zu den repräsentativen Technologien für erneuerbare Energiequellen gehören Brennstoffzellen, Wasserkraft, Solarenergie, Geothermie, Windkraft, Biokraftstoff und Wasserstoffproduktion10,11.

Biojettreibstoff ist eine der wichtigsten Quellen erneuerbarer und grüner Energie, und es wird erwartet, dass er in naher Zukunft mit zunehmenden Mischungsverhältnissen schrittweise fossile Brennstoffe ersetzen wird. Es wird erwartet, dass sie im Jahr 2020 25 %, im Jahr 2030 30 % und im Jahr 2050 50 % erreichen wird12,13,14,15. Biokraftstoffe können aus mehreren landwirtschaftlichen Rohstoffen und je nach benötigten Endprodukten und Rohstoffen mit unterschiedlichen Produktionsmethoden hergestellt werden16. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Pflanzenöle und Biomasse. Zu den Rohstoffen auf Pflanzenölbasis zählen essbare und nicht essbare Öle, Altspeiseöle, Jatropha-, Jojoba-, Raps-, Rizinus- und Mikroalgenöl. Zu den Biomasse-Rohstoffen zählen Abfallstoffe, aquatische Biomasse, Energiepflanzen und Waldprodukte 9,10,14,17.

Jatropha curcas scheint die beste Pflanze für die Produktion von Biokraftstoffen der zweiten Generation zu sein, bei denen es sich um Kraftstoffe handelt, die aus Non-Food-Pflanzenrohstoffen und land- oder forstwirtschaftlichen Abfällen hergestellt werden18. J. curcas kann auf unproduktiven und marginalen Flächen angebaut werden. Da J. curcas auf degradierten Böden wächst und als Non-Food-Rohstoff nicht mit der landwirtschaftlichen Produktion konkurriert, führt sein Anbau zur Biodieselproduktion nicht zu einer Änderung der Landnutzung. Es kann in der Wüste oder entlang der Feldgrenzen der Landwirte gepflanzt werden. Die Kosten für die Plantage fallen größtenteils im ersten Jahr an, und verbessertes Pflanzmaterial kann einen großen Unterschied im Ertrag bewirken. Durch die Aufzucht und Pflege der Jatropha-Pflanze werden Arbeitsplätze geschaffen. Die jährliche Produktivität von Jatropha-Samen in Ägypten beträgt etwa 1,36 Tonnen/Futter im 1. Jahr und 3,4 Tonnen/Futter im 3. Jahr, bewässert mit 6000 m3/Futter/Jahr primär behandeltem kommunalem Abwasser19. Ein Nebenprodukt der Ölgewinnung, wie z. B. Samenkuchen, kann kompostiert werden, um organischen Dünger herzustellen, der dann als organischer Dünger verwendet werden kann20. Dadurch könnten die N2O-Emissionen durch stickstoffhaltige Düngemittel gesenkt werden. Nicht zuletzt könnte J. curcas eine Chance für Entwicklungsländer darstellen, von der steigenden Nachfrage nach Biokraftstoffen zu profitieren21. Die Pflanze Jatropha curcas L. ist robust, schädlings- und dürreresistent und für Tiere ungenießbar. Es wird hauptsächlich in tropischen Ländern als Hecke angebaut, um die Landwirtschaft vor Rindern, Schafen und Ziegen zu schützen.

Die Produktionsprozesse für Biokraftstoffe umfassen katalytisches Cracken, Pyrolyse, Umesterung und Fermentation18. Mit dem richtigen Katalysator ist Hydrocracken eine der besten Methoden zur Herstellung von Biokraftstoffen aus Ölen. Dies hat viele Gründe: Erstens ist der Betriebstemperaturbereich des katalytischen Hydrocrackens (350–450 °C) niedriger als die Pyrolysetemperaturen (500–850 °C), außerdem spielt die Wahl des bei der Pyrolyse verwendeten Ausgangsmaterials eine wichtige Rolle Qualität des Endprodukts. Zweitens ist die Reaktionszeit des katalytischen Hydrocracking-Prozesses viel kürzer als die, die im Fermentationsprozess erforderlich ist. Die Herstellung von Ethanol durch Fermentation erfordert Vorbehandlungsprozesse wie Verzuckerung und Hydrolyse. Schließlich können beim katalytischen Hydrocracken im Vergleich zur Umesterungsmethode, bei der nur Biodiesel hergestellt wird, mehrere Fraktionen von Erdölfraktionen wie Benzin, Kerosin, Diesel und Mazot hergestellt werden19,20,21.

Biokerosin oder Bio-Flugzeugtreibstoff, der hauptsächlich im Luftverkehr verwendet wird, ist eine Art von Biokraftstoff, der gemäß ASTM D1655 die gleichen Eigenschaften wie Flugzeugtreibstoff aufweist und die gleichen Komponenten enthält. Es gibt zwei Arten von Kerosin: zivile Luftfahrt (Jet A, Jet A-1, Jet B) und militärischer Kerosin (JP.1-JP.10, JPTS, Zip Fuel, Syntroleum)9,13,14. Diese werden durch verschiedene Prozesse auf Basis des Ausgangsmaterials hergestellt, bei dem es sich entweder um Gas, Zucker, Alkohol oder Öl handeln kann22. Der katalytische Hydrocracking-Prozess gilt als die beste Wahl, um Pflanzenöl in einem Schritt in Bio-Flugzeugtreibstoff umzuwandeln15.

Das katalytische Hydrocracken von „nicht essbaren und essbaren Ölen“ erfordert die Entwicklung geeigneter Crackkatalysatoren und die Auswahl der richtigen Reaktoren für die Produktion von Biotreibstoff23,24,25. Porengröße, Säuregehalt und Form beeinflussen alle die Eigenschaften des Katalysators. Es gibt verschiedene Katalysatortypen, darunter makroporöse (Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und Aluminiumoxid), mesoporöse (MCM-41 und SBA-15), mikroporöse (Zeolith) und mikroporöse-mesoporöse Verbundmaterialien. 10,19,26, Ni/ZSM-5 27, Ni–Mo/Al2O3 28, CoMo/Al2O3, Ni-HZSM-5/SBA-15 (Weng et al., 2015) und Ni–W/SiO2–Al2O3 , PdNi/HZSM-5-Katalysator 29, K-modifizierter Zeolith ZSM-530, NiMo/SA-2 und NiMo/Z-10, CoMo/MCM-41 (Ooi et al.), CoMo-Katalysatoren auf mesoporösem Aluminiumoxid31, Ni /SAPO-11 (Zuo et al.), Ni/H-Beta28 und ZSM-5-Zn32.

Der katalytische Reaktionsprozess in der heterogenen Katalyse läuft wie folgt ab33: Oberflächenreaktantendiffusion, Adsorption innerhalb der Katalysatoroberfläche, Oberflächenreaktantendiffusion von Produkten, Produktdesorption von der Oberfläche und Oberflächenreaktantendiffusion von der Oberfläche weg34.

Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung von Biotreibstoff durch Hydrocracken von Jatropha-Öl unter Verwendung vorbereiteter, kostengünstiger anorganischer Katalysatoren aus natürlichem Ton, um den Preis der Biotreibstoffproduktion zu senken. Um die Ziele der wirtschaftlichen, ökologischen und auch nachhaltigen Entwicklung zu erreichen, werden Rohstoffquellen für künftige Generationen gespart. Es wird eine Katalysatorcharakterisierung durchgeführt und die Reaktionsprodukte werden für den modifizierten Naturton als Katalysator bewertet. Durch chemische und physikalische Analysen wird ein Vergleich zwischen dem herkömmlichen Flugtreibstoff und dem hergestellten Bio-Flugzeugtreibstoff durchgeführt, um die Konformität des Bio-Flugzeugtreibstoffs mit den ASTM D1655-Spezifikationen zu überprüfen.

Jatropha Curcas-Samen wurden vom Landwirtschaftsministerium bezogen. Jatropha wurde in Ägypten erfolgreich angebaut und kann an vielen Orten in Ägypten auf trockenem Land und unter Verwendung kommunaler, primär aufbereiteter Abwässer angebaut werden. Jatrophaöl wird im Nationalen Forschungszentrum in Ägypten gewonnen.

Der verwendete Katalysator ist der ägyptische Bentonit B, der von Borg El Arab, Alexandria, Ägypten, bezogen wird. Es stammt aus ägyptischen Steinbrüchen und wird zur Herstellung von Keramik, Töpferwaren und Kunsthandwerk verwendet.

Für die Katalysatorherstellung wurde Salzsäure HCl mit einer Konzentration von 37 % von der Firma Sigma – Aldrich Laborchemikalien GmbH, Deutschland, bezogen.

Jatropha-Öl wird mit Hexan aus zerkleinerten Jatropha-Samen gewonnen. Die Extraktion erfolgte in einer Soxhlet-Apparatur bei 60–70 °C. Das Volumenverhältnis von Hexan zu Jatropha-Samen betrug 5:1. Hexan wird durch Vakuumdestillation bei 40 °C aus der Extraktionsmischung abgetrennt und zurückgewonnen. Die Ausbeute an extrahiertem Öl beträgt etwa 25 % des Gewichts der gemahlenen Samen. Tabelle 1 fasst die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Jatropha-Öl zusammen, während Tabelle 2 sein Fettsäureprofil darstellt.

Die Katalysatorvorbereitung und -modifikationen, die beim katalytischen Hydrocracken von Öl hergestellt und verwendet werden, hängen von vielen früheren Untersuchungen und Untersuchungen ab, um den Einsatz von Mineralerde und Ton in einem breiten Spektrum industrieller Anwendungen aufzuwerten19,35,36. Der Katalysator wird durch Zugabe von 50 g Bentonit-Ton (B) zu vorbereiteten 500 ml 0,1 M HCl hergestellt und die Mischung in einem Rundkolben mit angeschlossenem Kühler 4 Stunden lang auf 110 °C erhitzt. Die resultierende Bentonit-Ton-Suspension wird dann schnell mit 500 ml eiskaltem destilliertem Wasser abgeschreckt. Nach dem Abschrecken wurde das Suspensionsmedium filtriert und mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen, bis die Chloridionen Cl-1 durch das Waschwasser entfernt wurden. Der modifizierte Ton wird dann in einem Ofen bei 110 °C getrocknet und anschließend 4 Stunden lang bei 550 °C kalziniert. Die trockene Paste wird dann zu Pulver gemahlen.

Röntgenfluoreszenzspektrometrie-Analysen (XRF) wurden mit einem AXIOS, panalytical 2005, Wavelength Dispersive (WD-XRF) Sequential Spectrometer durchgeführt. Röntgenbeugungstests (XRD) zur Bestätigung der Kristallstruktur wurden mit den folgenden Einstellungen durchgeführt: Goniometer = Theta/Theta; Mindestschrittgröße 2 Theta: 0,0001; Mindestschrittgröße Omega: 0,0001, Probentisch = Tisch für flache Proben /Halter, Diffraktometersystem = EMPYREAN und Anodenmaterial: Cu. Die Scans wurden bei 2θ = 4–80° aufgenommen.

Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Analyse wurde mit Origin Jasco Infrarotspektrum (FT/IR-6100Typ A) über den Wellenzahlbereich 4000–399 cm-1 durchgeführt.

Die Oberfläche der anorganischen Katalysatoren und Rohstoffe wurde mit Version 1.21 von Quanta Chrome TouchWin™ untersucht, um die Brunauer-, Emmett- und Teller-Oberfläche (BET) zu bestimmen. Vor den Experimenten wurden alle Materialproben 6 Stunden lang bei 200 °C entgast. Die spezifische „BET“-Oberfläche wurde aus dem linearen Teil der Adsorptionskurve geschätzt.

Die Gesamtporenvolumina der Mikro- und Mesoporen wurden direkt aus der Stickstoffadsorption bei P/PO um (0,1–0,98) ermittelt. 39". Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Reinheit des Adsorptionsmittels nicht weniger als 99,999 % beträgt. Darüber hinaus hängt die Genauigkeit der Ergebnisse von einer sorgfältigen Vorbereitung und Probenahme des Adsorptionsmittels ab40.

Die Spezifikationen des hergestellten Katalysators sind in den Tabellen 3 und 4 aufgeführt, die die RFA-Analyse und die BET-Oberflächeneigenschaften veranschaulichen. XRD-Muster, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie; FTIR und Adsorptions-Desorptions-Isotherme des Rohkatalysators und des behandelten Katalysators sind in den Abbildungen dargestellt. 1, 2, 3 bzw.

XRD-Muster von rohem (B) und modifiziertem Katalysator (MB).

FTIR-Muster von B und MB.

Adsorptions-Desorptions-Isotherme von B und MB.

Aus der RFA in Tabelle 3 ist ersichtlich, dass SiO2 und Al2O3 die Hauptbestandteile aller Rohstoffe und hergestellten Katalysatoren sind, zusammen mit Spuren anderer Metalloxide. Die Wirkung von Salzsäure auf Rohstoffe besteht darin, den Siliciumdioxidgehalt zu erhöhen und die Häufigkeit von Metalloxiden wie CaO-, Na2O-, Fe2O3-, MnO-, Ca2+- und Na+-Kationen zu verringern. Es ist ersichtlich, dass in der XRD (Abb. 2) bei der Behandlung mit HCl Veränderungen in den Tonpeaks auftreten. Die Peaks veranschaulichen die Intensität und Breite des Katalysators, die nahezu denen der reinen Rohstoffe entsprechen. Dies weist auf eine bauliche Erhaltung hin. Der Spitzenwert ist ein Maß für den Grad der vom Ton erhaltenen laminaren Struktur35,41.

Der ägyptische Ton enthält Bänder, wie in FTIR Abb. 1 zu sehen ist, die auf die H-O-H-Streckung des absorbierten Wassers, die CH-Streckung und die OH-Streckung bzw. die Hydratation von Tonmineralien hinweisen. Der vorbereitete Katalysator MB zeigt eine Bande aufgrund der H-O-H-Streckung von absorbiertem Wasser, der C-H-Streckung, der OH-Streckungshydratation, der Si-O-Streckung und der Si-O-Si-Biegung35,41. In Tabelle 4 ist zu erkennen, dass die hergestellten Katalysatoren eine erhöhte Porengröße und einen breiten Verteilungsbereich aufweisen. Dies weist auf eine gute Reaktantenverteilung während des katalytischen Prozesses hin. Die Adsorptions-Desorptions-Isothermenkurven der hergestellten Katalysatoren sind in Abb. 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die modifizierten Katalysatoren eine höhere Fähigkeit zur Adsorption der Reaktanten auf ihrer Oberfläche und eine höhere Produktdesorption von der Katalysatoroberfläche aufweisen.

Das katalytische Hydrocracken wurde wie folgt durchgeführt: 100 g gefiltertes Jatropha-Öl werden in einen Hochdruck-Hochtemperatur-Batch-Reaktor aus rostfreiem Stahl (450 ml) gefüllt. Der vorbereitete Katalysator wurde in unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen dem Jatropha-Öl zugesetzt. Wasserstoffgas wird in den Reaktor komprimiert, um einen Druck von 4 bar aufrechtzuerhalten. Die Mischung wurde für einen Zeitraum von 10 bis 30 Minuten erhitzt, um die erforderliche Temperatur von 350–450 °C zu erreichen. Das gesammelte Produkt wurde dann zentrifugiert, um alle suspendierten Partikel aus der erzeugten Biokraftstoffmischung abzutrennen. Das Biokraftstoffgemisch wurde in einer Laboranlage zur fraktionierten Destillation fraktioniert, um Biobenzin in einem Temperaturbereich von (60–170 °C), Biotreibstoff in einem Temperaturbereich von (170–270 °C) und Biodiesel in einem Temperaturbereich von (170–270 °C) zu erhalten Im Bereich von (270–330 °C) wird dieser Prozess in einem vereinfachten Flussdiagramm dargestellt, das in Abb. 4 dargestellt ist. Der produzierte Bio-Flugzeugtreibstoff nach fraktionierter Destillation ist in Abb. 5 dargestellt.

Flussdiagramm der Produktionsschritte für Biotreibstoff bei optimalen Bedingungen (350 °C, 18 Min., 4 H2 bar und 4 % MB).

Produzierter Bio-Flugzeugtreibstoff bei optimalen Reaktionsbedingungen nach fraktionierter Destillation (170–270 °C).

Der hergestellte Bio-Flugzeugtreibstoff wird gemäß den Spezifikationen ASTM D1655 charakterisiert. Die folgenden Eigenschaften werden gemessen.

Die ISQ Single Quadruple MS, TG-5 MS-Fused-Silica-Kapillarsäule (30 m, 0,251 mm, 0,1 mm Filmdicke) von Thermo Scientific wurde in der Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) verwendet, um die Zusammensetzung des Produktkraftstoffs zu bestimmen. Für die GC/MS-Detektion wurde ein Elektronenionisationsgerät mit einer Ionisationsenergie von 70 eV (Elektronenvolt) verwendet. Als Trägergas wird Helium mit einer konstanten Flussrate von 1 ml/min verwendet. Die Temperatur des Säulenofens wird zunächst bei 60 °C gehalten, dann um 5 °C/min auf 200 °C erhöht, 2 min lang gehalten und dann auf 280 °C (10 °C/min) erhöht.

Die Mischung aus Jet A-1 (Kerosin) mit 5 % des aus Jatrophaöl hergestellten Biojets wurde mit der von Jet A-1 verglichen, nachdem sie in einem Prototyp eines Strahltriebwerks (Jet-Cat 80/120) getestet wurde.

Der Gefrierpunkt von Biotreibstoffproben wird gemäß den Spezifikationen ASTM D2386 gemessen. 15 ml jeder Probe werden in ein Glasröhrchen gegeben und in flüssigen Stickstoff gegeben, bis die Probe vollständig gefroren ist. Der Gefrierpunkt wurde durch Ablesen des Thermometer-Anzeigepunkts gemessen. Dies geschieht, wenn sich der Temperaturwert an der letzten dünnen Kristallschicht in der Fest-Flüssigkeits-Mischung stabilisiert.

Der Flammpunkt von Biotreibstoff oder anderen flüchtigen Stoffen ist die niedrigste Temperatur, bei der sich Dämpfe der Flüssigkeit in Gegenwart einer Zündquelle entzünden. Der Flammpunkt ist eine beschreibende Eigenschaft zur Unterscheidung von brennbaren Kraftstoffen, Benzin und brennbaren Kraftstoffen wie Diesel. Ein Kraftstoff mit einem Flammpunkt unter 37,8 °C wird als brennbar bezeichnet, während Kraftstoffe als brennbar bezeichnet werden, wenn die Flammpunkttemperatur über 37,8 °C liegt.

Gemäß der ASTM D2887-Spezifikation wird der PENSKY MARTENS FLASH POINT TESTER zur Schätzung des Flammpunkts von Bioflugzeugtreibstoff verwendet. Die Probe befindet sich in einem offenen/geschlossenen Gefäß, das unterschiedlich schnell erhitzt wird. Eine Flamme wird in ausreichender Höhe über die Flüssigkeitsoberfläche gebracht und der Becher wird bei jedem Grad Temperaturanstieg geöffnet, bis sich der Dampf entzündet.

Die Viskosität ist eine Eigenschaft, mit der der Strömungswiderstand einer bestimmten Flüssigkeit gemessen wird. Die Probe wird mit einem Laborviskosimeter „DV-II + Pro“ gemessen, das die Viskosität einer bestimmten Flüssigkeit anhand einer bestimmten Scherspannung und Scherraten in Abhängigkeit von der spezifischen Flüssigkeitstemperatur und einem Antriebsmotor mit unterschiedlichen Drehzahlen bestimmt.

Die Dichte von Flüssigkeiten wird mit Aräometern gemessen. Es handelt sich um einen Labor-Schwimmkörper aus Glasmaterial, der einen zylindrischen Schaft und eine mit einem Metallgewicht beladene Glühbirne enthält. Abhängig von der Eintauchtiefe in die Probe wird der Dichtewert direkt über die Ableseskala am oberen Teil des Glaskörpers mit seinen Messeinheiten ermittelt.

Gemäß ASTM D-381 darf der vorhandene Gummigehalt von Kerosin 7 mg/100 ml12 nicht überschreiten. Der Test wurde im Labor der Misr Petroleum Company in Ghamra, Ägypten, durchgeführt. Die Gummiwerte werden für die Mischung von 5 % Vol. geschätzt. Biotreibstoff mit Jet A-1.

„Die vorliegende Studie entspricht den internationalen, nationalen oder institutionellen Richtlinien.“

Der Biotreibstoffprozess wird von vielen Betriebsbedingungen wie Temperatur, Reaktionszeit, Katalysatortypen, Katalysator-Öl-Verhältnis usw. beeinflusst. Tabellen 5 und 6 zeigen, dass bei der Reaktionstemperatur des hydrokatalytischen Crackens von 350 °C die Reaktion ist exotherm. Für die gleichen Reaktionsbedingungen von 18 Minuten, 350 °C und 4 bar H2 wurden unterschiedliche Prozentsätze an MB-Katalysator zugegeben: 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, um Biotreibstoff herzustellen. Die Temperatur der Reaktionsmischung wird auf etwa (100 ± 10 °C) erhöht, die höchste erreichte Temperatur betrug 452 °C bei Verwendung von 4 % MB-Katalysator und die niedrigste erreichte Temperatur betrug 420 °C bei Verwendung von 1 % MB-Katalysator.

Der konstante Wasserstoff-Einlassdruck von 4 bar wird während der Reaktion zur Sättigung von Doppelbindungen genutzt und trägt zum Ablauf aller Crackreaktionen bei. Der höchste konstante Druck, der im Batch-Reaktor erreicht wurde, betrug 80 bar bei Verwendung von 4 % MB nach 18 Minuten und der niedrigste Druck von 65 bar wurde bei derselben Reaktionszeit von 18 Minuten erreicht, wenn kein Katalysator verwendet wurde.

Der Druck während des Reaktionssystems ist ein Indikator für die Produktqualität und eine gute Leistung der Crackreaktion. Die bei der Reaktion entstehenden nicht kondensierbaren Gase führen nach dem Abkühlen zu einem Anstieg von 4 auf 20 bar. Dabei handelt es sich um Kohlendioxid, Kohlenmonoxide und aliphatische C1–C4-Verbindungen.

Die Ergebnisse dieser Experimente sind in Tabelle 6 und Abb. 6 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Produktionsausbeute an Biotreibstoff mit der Erhöhung des MB-Prozentsatzes zunahm. Das 4 %ige MB lieferte die beste Ausbeute, gefolgt von 3 % MB (40 % und 39,74 % Bio-Flugzeugtreibstoff), und die niedrigste Ausbeute wurde bei Verwendung von 1 % MB und 2 % MB (33 % und 33,76 % Bio-Flugzeugtreibstoff) beobachtet. jeweils. Wenn kein Katalysator verwendet wurde, wurde eine Biotreibstoffausbeute von 33,8 % erzielt. Die optimale Ausbeute (40 %) wurde mit MB bei 18 Minuten und 4 % Katalysator erzielt.

Einfluss des Katalysator-Öl-Verhältnisses auf die Ausbeute der Biotreibstoffproduktion.

Unter den gleichen Bedingungen (350 °C, 4 bar H2) wurde der MB-Katalysator beim hydrokatalytischen Cracken von Jatropha-Öl zu unterschiedlichen Zeiten (10–30 Minuten) verwendet, um Biotreibstoff herzustellen, dessen Spezifikationen in den Tabellen aufgeführt sind 5, 6 und Abb. 7. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass die Reaktionszeit einen deutlichen Einfluss auf die Produktausbeute hat, insbesondere beim Bio-Jet-Treibstoffschnitt. Drei Laborexperimente wurden mit 2 % MB-Katalysator bei 350 °C und für drei verschiedene Zeiten (10, 20 und 30 Minuten) durchgeführt. Es wurde beobachtet, dass der Reaktionsdruck von 40 auf 80 bar anstieg und die Ausbeute an Biotreibstoff zunahm während des Prozesses mit der Reaktionszeit im Reaktor. Dies wird auf den Abschluss der Crackreaktion von langen und schweren Kohlenstoffketten in kleinere Ketten zurückgeführt, um den Kerosinanteil zu erzeugen. Die höchste Ausbeute von 38 % wurde nach 30 Minuten und die niedrigste Ausbeute von 18,3 % nach 10 Minuten erreicht.

Zeiteffekt auf die Ausbeute der Biotreibstoffproduktion.

Um die im Produktrohstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffe zu kategorisieren, wurde die Bildung von Alkanen, Cycloalkanen, Isoalkanen und Alkylbenzol während des thermischen katalytischen Crackens von Jatrophaöl untersucht. Den Ergebnissen zufolge enthielt das Kohlenwasserstoffgemisch n-Paraffin, Isoparaffin, Cycloparaffin, Olefine und Aromaten. Die typische optimale Kohlenstofflänge von C8-C16 in Kerosin liegt schätzungsweise zwischen 70 und 85 %. Gemäß Abb. 8 betrug die Gesamtausbeute des Paraffingehalts im entwickelten Bio-Flugkraftstoff nahezu 83 %. Die meisten Iso- und Cycloparaffine, darunter Methyldecan, Alkylcyclohexan und Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan), haben laut Daten aus GC-Massenspektren eine oder zwei verzweigte Alkanketten. Dies (57,01 %) stimmt mit der Literatur überein 42.

GC Massenprozentsatz verschiedener Kohlenwasserstoffe in der Kohlenstofflänge C8–C16 von Bioflugzeugtreibstoff.

Die erhaltenen nicht benötigten Olefine liegen interessanterweise nahe am Minimum (5 Gew.-%) wie bei idealem Flugzeugtreibstoff. Der Großteil des Iso-Cycloparaffins hat eine oder zwei Verzweigungen als Methyldecan und geradkettige Alkane oder verzweigtkettige Cycloalkane als Iso-Octan, wie aus Daten aus GC/Massenspektren hervorgeht.

Im Vergleich zu Isooctan (einem verzweigten Alkan) kommen Moleküle wie Methyldecan (ein Isoparaffin) in der Kerosinkomponente von Erdöl wesentlich häufiger vor. Der teuerste und am schwierigsten zu beschaffende Bestandteil von Flugzeugtreibstoff, Isoparaffin, wurde in guter Konzentration im hergestellten Bio-Flugtreibstoff gefunden. Da eine Zunahme der Verzweigung den Zündpunkt des Kraftstoffs senkt, hat die Menge an verzweigten Alkanen einen erheblichen Einfluss auf die Reinheit des Kraftstoffs43.

Beim Vergleich der Spezifikationen von 5 % Bio-Flugzeugtreibstoff, der aus einer Jatropha-Ölmischung mit Jet A-1 hergestellt wurde, mit Industriestandards lagen die Ergebnisse im erforderlichen Bereich (Tabelle 7). Das Experiment zeigte, dass der durch die Verwendung einer 5 %-Mischung erzeugte Schub angemessen ist im Einklang mit Jet A-1. Gemäß Abb. 9 zeigen rote Punkte die unterschiedlichen Schubkräfte der Mischung aus Kerosin-Flugzeugtreibstoff und 5 % Biostrahl, die in dieser Arbeit zu verschiedenen Zeitpunkten während des Testexperiments erhalten wurden. Dies zeigt, dass der Blend-Biojet höhere Schubwerte aufweist als reines Erdölkerosin. Blaue Punkte zeigen die verschiedenen Schubkräfte des Kerosin-Flugzeugtreibstoffs.

Schubtestergebnisse für 5 % Mischung aus Biojet und Jet A-1.

Die Dichte des erhaltenen Bioflugzeugtreibstoffs nach der Destillation ist in Tabelle 7 angegeben und lag bei 15 °C im Bereich von 0,8241–0,8345 g/ml. Dies entspricht den ASTM D1655-Spezifikationen im Bereich von 0,775–0,84 g/ml.

Der Gefrierpunkt ist eine der wichtigsten Methoden zur Prüfung von Flugkraftstoffprodukten. Wenn das Flugzeug aufsteigt, können die Temperaturen im Treibstofftank und in den Leitungen sinken. Sinkt die Temperatur der Tanks und Leitungen unter den Gefrierpunkt des Kraftstoffs, behindert dies den Kraftstofffluss und verschließt den Filter. Dadurch wird der Motor ausgehungert und abgeschaltet. Tabelle 7 gibt auch die Gefrierpunktwerte des hergestellten Bio-Flugzeugtreibstoffs an. Er liegt zwischen −52 °C und −56 °C und ist vergleichbar mit dem ASTM D2386-Maximalwert von −47 °C.

Die Transportvorschriften unterscheiden Kraftstoff je nach Zündzeitpunkt durch Messung des Flammpunkts des Kraftstoffs als entflammbar oder brennbar. Der Flammpunkt der produzierten Bio-Flugzeugtreibstoffe liegt mit 53 °C deutlich über dem ASTM D2887-Wert von 38 °C.

Der maximale Gummigehalt gemäß ASTM D-381 beträgt 7 mg/100 ml. Der hohe Gummigehalt kann zu Ablagerungen im Ansaugsystem und zum Verklemmen der Einlassventile führen. Tabelle 7 zeigt auch den Gummigehalt einer Mischung aus 5 % des produzierten Bio-Flugzeugtreibstoffs und 95 % Jet A-1. Der Gummigehalt liegt unter dem von ASTM D-381 angegebenen Bereich. Die Ergebnisse wurden mit dem Katalysator (MB) und ohne Verwendung eines Katalysators erzielt. Beide produzierten den niedrigsten Gummigehalt von 5,9 mg/100 ml bzw. 6,4 mg/100 ml.

Die Säuremodifikationen, die auf natürlichen Ton angewendet wurden, um katalytische Aktivität zu erzeugen, sind 0,1 M HCl, 4 Stunden lang auf 110 °C erhitzt und 4 Stunden lang bei 550 °C kalziniert.

Der Katalysator (MB) wurde physikalisch und chemisch durch RFA, XRD, FTIR und BET charakterisiert.

Der Katalysator wurde bei der Herstellung von Biotreibstoff durch katalytisches Hydrocracken von Jatropha-Öl unter verschiedenen Prozessbedingungen wie prozentualer Variation des Katalysators (1–4 %) und Reaktionszeit (10, 20 und 30 Minuten) verwendet, um einen optimalen Betrieb zu erzielen Die Bedingungen sind 350 °C, 4 bar H2, 18 Minuten Reaktionszeit und 4 % Katalysator.

Das aus der Reaktion erhaltene Biokraftstoffgemisch wurde nach seinem Siedepunkt durch Destillation in vier Fraktionen getrennt: Biobenzin (70–170 °C), Biojet (170–270 °C), Biodiesel (270–330 °C). , und Mazot. Die erzielte Biotreibstoffausbeute betrug 40 % des Gesamtprodukts.

Der mit dem Katalysator (MB) hergestellte Biotreibstoff wurde getestet und seine Spezifikationen entsprechen den ASTM D1655-Spezifikationen in Bezug auf Gefrierpunkt (–56 °C), Flammpunkt (53 °C) und vorhandenen Gummigehalt (5,9). mg/100 ml).

Dieses Ergebnis ergab aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen ein vielversprechendes Potenzial für die Herstellung von Bio-Flugzeugtreibstoff aus Jatrophaöl, da es kostengünstiger als Pflanzenöle war und eine umweltfreundliche Möglichkeit für die Verwendung einer Mischung aus Bio-Flugzeugtreibstoff mit Jet A-1 darstellte.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Wasserstoffgas

Der ägyptische Bentonit-Ton

Modifizierter Bentonit-Ton

American Society for Testing and Materials

Röntgenfluoreszenz

Röntgenpulverbeugung

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

Oberfläche von Brunauer, Emmett und Teller

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Die Autoren möchten dem Nationalen Forschungszentrum in Ägypten ihren aufrichtigen Dank für seine unschätzbare Unterstützung bei der experimentellen Arbeit und chemischen Analyse aussprechen. Gefördert durch die Auszeichnungsnummer des National Research Center (03.06.18).

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Nationales Forschungszentrum, Auszeichnungsnummer (03.06.18), Stipendiat mit Masterabschluss von Sarah Hisham Hassan.

Abteilung für Chemieingenieurwesen und Pilotanlagen, Nationales Forschungszentrum, Dokki, Kairo, Ägypten

SH Hassan, NK Attia, GI El Diwani & Sh. K. Amin

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Kairo, Gizeh, Ägypten

RS Ettouney & MA El-Rifai

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SH Verfassen der Arbeit und Durchführung der experimentellen Arbeiten zur Katalysatorvorbereitung und -produktion von Biokraftstoffen, zur Katalysatorcharakterisierung und zur Spezifikation von Biokraftstoffen. GI überprüft das Papier, interpretiert die Biokraftstoff-Ergebnisse und entwickelt den Arbeitsplan. NK Teilnahme an der experimentellen Arbeit des Biojet-Kraftstoffs, Analyse der Datenergebnisse sowie Verfassen und Überprüfen des Papiers. SK Interpretation der Katalysatorergebnisse, Überprüfen Sie die Arbeit. MR und RS überprüfen das Papier. „Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und genehmigt“ und stellen sicher, dass dies der Fall ist.

Korrespondenz mit SH Hassan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hassan, SH, Attia, NK, El Diwani, GI et al. Katalytisches Hydrocracken von Jatrophaöl über natürlichem Ton zur Herstellung von Biotreibstoff. Sci Rep 13, 13419 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40500-2

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Eingegangen: 19. Mai 2023

Angenommen: 11. August 2023

Veröffentlicht: 17. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40500-2

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