Организация проведения лабораторного практикума "Получение биотоплива путем декарбоксилирования органической кислоты"

Относительно недавнее развитие мировой экономики привело к огромным потребностям в ресурсах и энергии. Перед человечеством всегда остро стоял вопрос поиска дешевых источников энергии, не влекущих за собой чрезмерных затрат. Проблема использования источников энергии стала особенно актуальной в 20 веке, когда стало ясно, что безрассудное сжигание углеводородов приведет к дальнейшему сокращению их запасов на Земле. Ученые пришли к выводу, что запасы нефти и газа рано или поздно закончатся, а стоимость разведки новых месторождений резко возрастет, так как потребуется больше технологий и оборудования. Поиск альтернативных источников тепла для замены природного газа и нефти также становится все более актуальным. И использование биоисточников энергии (биотоплива), наряду с солнечной и ветровой энергией, стало таким эффективным способом продвижения вперед.

Одним из наиболее перспективных видов биотоплива для дизельных двигателей является биотопливо, получаемое из возобновляемого сырья - растительных масел. Следует также рассмотреть возможность получения биотоплива из отходов пище- вой промышленности, что позволит снизить экономические затраты на производство.

Биодизель представляет собой смесь углеводородов с различной структурой, которая не имеет фиксированной температуры кипения, а испаряется в широком диапазоне температур.

Помимо возобновляемости сырья, биотопливо обладает рядом других существенных преимуществ, таких как отсутствие соединений серы и тяжелых металлов, часто встречающихся в минеральном топливе.

Процесс декарбоксилирования является важным этапом в извлечении углеводородов из растительных масел и жиров, пригодных для использования в качестве биодизеля [1-3].

Целью данной работы является проведение лабораторного практикума по изучению процесса декарбоксилирования, который является важным этапом в получении жидких углеводородов из растительных масел, животных жиров или их жирных кислот, пригодных для использования в качестве биодизеля. Также были определены следующие цели семинара:

• 1.    изучить технику декарбоксилирования олеиновой кислоты.

• 2.    провести декарбоксилирование олеиновой кислоты.

• 3.    определить полезность этого метода для производства биотоплива в промышленных масштабах.

Данный практикум посвящен процессу декарбоксилирования, который, как ожидается, станет важным этапом в производстве жидких углеводородов из растительных и животных жиров или производных жирных кислот, которые могут быть использованы в производстве дизельного топлива. Этот вид топлива называется биодизелем второго поколения.

Основным процессом производства биотоплива является декарбоксилирование олеиновой кислоты с помощью катализатора гидроксида алюминия Al(OH) 3 [4, 5].

После проведения реакции декарбоксилирования было проведено сравнение значений кислотно-основного титрования, кислотного числа и йодного числа олеиновой кислоты до и после декарбоксилирования.

Кислотно-основное титрование (КОТ).

Для проведения данного анализа использовали 1 мл испытуемой кислоты, 10 мл H 2 O (дистил.), и 1-2 капли фенолфталеина. Полученный раствор был протитро-ван 0,1 N р-ром NaOH.

Для проведения КОТ были взяты образцы масел с различным содержанием свободных жирных кислот. После добавления насыщенного р-ра NaCl и р-ра фенолфталеина, перемешивают смесь и титруют 0,1 М р-ром КОН. Фиксируется количество использованного в ходе титрования р-ра KOH. параллельно проводят контрольное КОТ с 50 мл насыщенного р-ра NaCl р-ром KOH, с добавлением растительного масла в виде суспензии. Полученный в ходе контрольного КОТ объем р-ра KOH вычитается из результата титрования исследуемого образца масла, и итоговое значение индикатора используется для расчета КЧ.

Затем кислотное число жира рассчитывается по следующей формуле:

где КЧ – кислотное число в мг. КОН на 1 г. жира;

V – объем 0,1 М раствора КОН, затраченный на титрование свободных жирных кислот в пробе растительного масла за вычетом результата титрования контроля, мл;

К – поправка к титру р-ра КОН (К = 1);

Н – навеска растительного масла, г;

5,611 – масса КОН в мг., содержащаяся в 1 мл. 0,1 М р-ра КОН.

Качество растительного масла оценивается по КЧ. Используя коэффициент пересчета олеиновой кислоты (0,503), по следующей формуле определяем содержание свободных жирных кислот в анализируемом растительном масле:

КЧ-282,3- 100

W =              = КЧ • 0-503

5,611- 1000

где W - содержание свободных жирных кислот, %;

КЧ – кислотное число;

• 28 2,3 – молярная масса олеиновой кислоты, г/моль;

56,11 - молярная масса КОН, г/моль;

1000 - пересчет кислотного числа из мг в г;

• 100    - коэффициент пересчета в проценты.

Таблица 1. Результаты КОТ.

Исследуемая кислота	Объем израсходованного NaOH, мл
Олеиновая кислота	1,4
Олеиновая кислота после декарбокселирования	0,3

Анализ показал, что объем титранта уменьшился после декарбоксилирования.

Определение КЧ.

В процессе гидролиза и окисления жиров идет накопление свободных жирных кислот. Кислотное число прямопропорци- онально количеству свободных жирных кислот в жирах [6, 7].

Кислотное число жира – это количество мг. KOH, необходимое для нейтрализации свободных жирных кислот в 1 г. жира.

Для проведения данного анализа исследуемые жиры растворяют в спиртоэфир-ной смеси, а затем проводят титрование 0,1 N р-ром KOH в присутствии фенолфталеина в качестве индикатора.

Таблица 2. Результаты определения кислотного числа

Исследуемая кислота	Объем израсходованного КOH, мл
Олеиновая кислота	0,5
Олеиновая кислота после декарбоксилирования	0,3

Увеличение значения кислотного числа прямопропорционально содержанию свободных жирными кислот. Результаты, приведенные в таблице 2, указывают на снижение содержания свободных кислот после проведения опыта.

Определение йодного числа.

Йодное число (коэффициент непре-дельности) характеризует количество непредельных жирных кислот в исследуемом образце жира, и выражается количеством I 2 в г., требуемого для полного насыщения жирных кислот, содержащихся в 100 г жира (г I 2 /100 г жира). Йодное число прямопропорционально содержанию ненасыщенных жирных кислот.

После взвешивания масла (0,2-0,3 г.) с измельченным образцом добавляют 30 см3 спирта для растворения суспензии. Затем пипеткой Мора отмеряют 25 см3 0,2-N. I2 (спирт. р-р), перемешивают, добавляют 200 см3 H20 (дистил.) и взбалтывают с пробкой. Также выполняется контрольный эксперимент без масла. Контрольный и испытуемый образцы оставляют на 15 минут, затем титруют 0,1 N. р-ром гипосульфита до слабожелтого цвета. После этого добавляют 1 см3 раствора крахмала и продолжают титрование до дальнейшего обесцвечивания. Данное обесцвечивание обычно происходит от последней капли раствора гипосульфита. Затем рассчитывается йодное число по следующей формуле

где (а - b) – разность результатов титрования контрольного и опытного образцов, мл 0,1 N р-ра гипосульфита; 0,01269 – коэффициент пересчета израсходованного раствора гипосульфита в г. I 2 , т.е. 1 мл ОД N- р-ра гипосульфита эквивалентен 0,01269 г. I 2 ; с – масса навески масла, г.

Таблица 3. Результаты определения йодного числа.

Исследуемая кислота	Объем израсходованного I 2 , мл
Олеиновая к-та	1,5
Олеиновая к-та после декарбоксилирования	0,8

По таблице 3 можно определить, что после декарбоксилирования значение йодного числа увеличилось.

Заключение.

Лабораторный практикум по производству биотоплива путем декарбоксилирования олеиновой кислоты и аналитические процедуры убедили студентов в том, что биотопливо можно производить этим методом. В лабораторном практикуме олеи- новая кислота использовалась в качестве модельного эксперимента; в промышленных масштабах можно использовать жировые отходы пищевого производства (отработанное растительное масло, отходы мясопереработки, молочных ферм и т.д.), что позволяет снизить затраты на топливо, решить проблему утилизации отходов и уменьшить экологический ущерб от использования биодизеля на производстве.