Специалисты использовали наномембранный реактор собственной разработки для производства биотоплива. Результаты опубликованы в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research. Состав деталей реактора и способ их изготовления запатентованы.
Фото: Томский политехнический университет.
В основе реактора – полупроницаемая полимерная мембрана, изготовленная методом многоканального электроформования на установке, разработанной в Томском политехническом университете. Система многоканального электроформования позволяет в режиме реального времени точно регулировать пористость, толщину и однородность мембраны. Сырье для мембран – отечественный полимерный материал – сополимер винилиденфторид с тетрафторэтиленом. Это полимер, обладающий превосходной химической стойкостью в отношении минеральных масел, кислот и щелочей.
Еще одна особенность наномембранного реактора ТПУ – особая структура порового пространства, позволяющая существенно улучшить процессы разделения и фильтрации при приготовлении топлива. Он пригоден для многих промышленных процессов, так как устойчив к температурам до 150–170 °C.
Биодизель – это возобновляемое топливо из различных биологических источников (растительные масла, животные жиры и другие). На сегодняшний день наиболее используемым и известным подходом к производству биодизельного топлива является переэтерификация (один из видов модификации масел и жиров, позволяющий путем преобразования триглицеридного состава влиять на изменения их физико-химических свойств, – ред.) с использованием кислотного или щелочного катализатора. В процессе переэтерификации триглицериды преобразуются в метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК) с высвобождением глицерина.
Традиционный процесс переэтерификации включает разделение, очистку и фильтрацию готового продукта. Среди основных его недостатков – высокая энергоемкость, ресурсоемкость и временные затраты. По словам ученых ТПУ, использование мембранного реактора позволит сократить количество производственных этапов, особенно связанных с разделением и промывкой.
В рамках исследования был собран наномембранный реактор периодического действия для получения биотоплива методом переэтерификации из рапсового масла, метанола и катализатора – гидроксида калия, рассказал руководитель исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Максим Пискунов.
«Рапс – один из самых перспективных видов сырья для производства биодизеля, благодаря высокой производственной мощности и высокому выходу масла. Кроме того, рапс доступен круглогодично и отличается более выгодной ценой».
Политехниками были изготовлены наномембраны с волокнистой структурой из поливинилиденфторида и сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом. Эксплуатационные характеристики и долговечность наномембран были протестированы путем проведения четырех синтезов биодизеля подряд в каждой серии производственного процесса.
Проведенные эксперименты показали, что разработанный наномембранный реактор позволяет напрямую отделять полученный биодизель от глицерина в реакционном отсеке, сокращая этапы постпереэтерификации, добавил аспирант Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Никита Хомутов.
«В целом, общее время получения МЭЖК сокращается с 3-5 часов (традиционная переэтерификация) до 1,5 – 2 часов. Кроме того, наномембранный реактор позволяет достичь высокого содержания МЭЖК – не менее 98 %»
Исследователи также измеряли вязкость, плотность, цетановое число и температуру вспышки биотоплива, полученного после каждого цикла синтеза. Характеристики преимущественно соответствуют требованиям ГОСТ Р 53605-2009, предъявляемым к метиловым эфирам жирных кислот и применяемым в качестве биотоплива для дизельных двигателей.
Кроме того, ученые протестировали три возможных метода очистки наномембран, поскольку эта процедура определяет не только качество конечного продукта, но и возможность повторного использования мембраны. Эксперименты показали, что наиболее удобным подходом является механическое удаление остатков.
В дальнейших планах у политехников – производство биодизеля с использованием мембран с различными параметрами (толщиной, средним размером пор и удельной площадью поверхности), оценка их влияния на качество топлива для оптимизации технологии. Кроме того, ученые продолжат изучение подходов к очистке наномембран и поиск наиболее оптимального решения. Также планируются эксперименты с использованием, например, дистиллированного таллового масла и жирных кислот таллового масла.
В исследовании принимали участие сотрудники лаборатории тепломассопереноса, Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики, Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий, Центра аддитивных технологий общего доступа.