ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЕЗЖИРИВАНИЯ ОТРАБОТАННОГО НИКЕЛЕВОГО КАТАЛИЗАТОРА ГИДРОГЕНИЗАЦИИ ЖИРОВ

АННОТАЦИЯ

Состав никелевых катализаторов, применяемых при гидрогенизации масел, варьируется, и его состав зависит от природы используемого катализатора, технологии гидрирования и применяемых фильтрующих добавок. Никелевый катализатор нового поколения, импортируемых из-за границы, используется на масложировых предприятиях Республики Узбекистана. Из-за нерентабельности регенерации отработанных катализаторов нового поколения традиционными методами их сбрасывают в отходы. В статье представлены результаты проведенных исследований по обезжириванию катализаторов нового поколения по традиционным и предлагаемым ультразвуковым воздействием. При ультразвуковом обезжиривании никелевых катализаторов, использованных в исследовательской работе, изучено влияние продолжительности процесса, температуры, частоты ультразвука и его мощности на степень обезжиривания катализатора.

ABSTRACT

The composition of spent nickel catalyst hydrogenation of oils varies, and its composition depends on the nature of the catalyst used, the hydrogenation technology and the filter additives used. New generation nickel catalyst imported from abroad is used in oil and fat enterprises of the Republic of Uzbekistan. Due to the unprofitability of regenerating spent catalysts of the new generation using traditional methods, they are discarded. The article presents the results of studies on the degreasing of new generation catalysts using traditional and proposed ultrasonic influences. During ultrasonic degreasing of nickel catalysts used in the research work, the influence of process duration, temperature, ultrasound frequency and its power on the degree of catalyst degreasing was studied.

Ключевые слова: отработанный катализатор, регенерация, качество, никель, ультразвук, восстановление жира, частота ультразвука, мощность, продолжительность процесса, температура, концентрация.

Keywords: spent catalyst, regeneration, quality, nickel, ultrasonic, fat recovery, ultrasound frequency, power, process duration, temperature, concentration.

До обретения независимости Узбекистана в Республике было всего 2 цеха гидрирования жиров. За годы независимости развивалась масложировая промышленность, количество таких цехов увеличилось до 10. В результате производство гидрогенизированных жирах выросло в несколько раз. Выпускаемая продукция в основном используется при производстве маргарина, мыла, глицерина, стеарина и аналогичных продуктов, что со временем стимулировало развитие производства такой продукции. Однако помимо продукции существуют еще отходы и потери, проблемы их ликвидации до сих пор не решены. Если катализаторы, используемые при гидрировании масел, являются отходами, то оставшуюся массу масла считают потерями[1-3].

Раньше в Республике катализаторы гидрирования жиров готовили на самом предприятии, а отработанные катализаторы регенерировали. В последнее время, с появлением специально разработанных никелевых катализаторов в виде готовых продуктов, готовить катализаторы собственными силами стало неэффективно. В результате предприятия используют готовые катализаторы. В результате регенерация катализаторов была полностью прекращена, а отработанные катализаторы стали утилизировать как отходы[4].

Активные металлы (Ni, Cu) извлекаются из отработанного катализаторов, применяемых при гидрировании масел в промышленности, под действием серной кислоты, что приводит к образованию их сульфатных солей. Поскольку масло не смачивается водным раствором серной кислоты, обработка катализатора занимает длительное время. По этой причине желательно извлекать металлы из катализатора в 2 стадии. При этом сначала отделяют основное масло, а затем обезжиренный остаток обрабатывают серной кислотой. Таким образом, процесс значительно ускоряется. В этом случае добытое масло будет более высокого качества, чем масло, полученное непосредственным кипячением масла с серной кислотой из отработанного катализатора, а также улучшатся санитарно-гигиенические условия[5].

М.Н. Ибрагим [6] исследовал метод регенерации отработанного никелевого катализатора путем экстракции растворителями, такими как этанол, гептан, гексан и изопропанол. Автором изучено влияние количества растворителя, продолжительности экстракции и природы растворителя на растворяющую экстракцию масла из катализатора. Увеличение количества гексана с 250 мл до 300 мл при извлечении 25 г отработанного катализатора привело к увеличению извлечения масла с 40,15 до 44%. Увеличение времени экстракции и перегонки с 2 до 6 часов привело к увеличению выхода масла с 25% до 44%. Автор также обнаружил, что этанол обладает плохой растворимостью в масле по сравнению с изопропанолом, но хорошей фильтруемостью по сравнению с гексаном, а гептан хуже фильтруется, чем этанол, и требует много энергии.

В настоящее время полное обезжиривание катализаторов растворителями, используемыми на установках гидрирования, не применяется по ряду причин. Большую часть масла из отработанного катализатора экстрагируют в автоклавах при температуре 105-107 ˚С водным раствором электролита. В качестве электролита используется каустическая сода или кальцинированная сода. Продолжительность процесса составляет 5-8 часов в зависимости от состава и жирности используемого катализатора[7]. Большая продолжительность процесса приводит к увеличению энергозатрат. Поэтому необходимо ускорить процесс обезжиривания отработанного катализатора и повысить его эффективность.

Первоначально был проанализирован состав использованного никелевого катализатора. В качестве сырья использовался никелевый катализатор, используемый в масложировой промышленности Республики Узбекистан. Его состав представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Состав отработанных никелевых катализаторов гидрировании масел на маслозаводах

Из таблицы 1 видно, что с отработанным катализатором теряется большое количество масла, помимо драгоценных металлов. Это, в свою очередь, приводит к чрезмерным растратам и ухудшению состояния окружающей среды.

Учеными проведен ряд исследовательских работ по регенерации и утилизации отработанных катализаторов. Некоторые из них ранее использовались на предприятиях нашей Республики. Однако из-за низкой эффективности существующих технологий они не были использованы. В результате утилизация отработанных катализаторов прекратилась.

Сегодня применение ультразвуковых волн развито в различных отраслях промышленности. Применение этих волн известно как безопасный и разумный метод[8]. Ультразвуковые волны имеют длину волны с частотой более 20 000 рад/с[9]. Каждая ультразвуковая волна представляет собой механическую турбулентность в газовой, жидкой или твердой среде, поэтому эта волна может распространяться быстро и плавно. Использование ультразвуковых волн основано на двух типах: высокочастотных (2–10 МГц) и низкочастотных ультразвуковых волнах или сильных ультразвуковых волнах (20–500 кГц) [6]. Например, одним из применений ультразвуковых волн в пищевой промышленности[9] является переэтерификация свободных жирных кислот[10] и экстракция фосфолипидов из масло [11]. При использовании ультразвуковой технологии для добычи масло по сравнению с традиционными химическими и физическими методами она имеет ряд преимуществ, таких как сокращение времени обработки, снижение энергопотребления и более высокая производительность. Ультразвуковые методы недавно использовались для экстракции масла из семян масличных культур, гидратации соевого масла [11] и отбеливания оливкового и рапсового масел[12].

Целью данного исследования является оценка влияния ультразвуковых волн на обезжиривание отработанного катализатора путем применения различных времен и температур и сравнение результатов процесса с традиционным методом.

Сначала был исследован процесс обезжиривания никелевого катализатора, используемого в ультразвуковой водяной бане с частотой ультразвука 40-100 кГц и мощностью 20-200 В. Для этого использовали 20% водный раствор кальцинированной соды. Температура процесса находилась в диапазоне 60-100°С, продолжительность составляла 3-5 часов. В результате полученных результатов определено, что оптимальными технологическими режимами процесса являются: частота ультразвука 40 кГц, мощность ультразвука 80 В, температура 80 °С, продолжительность процесса 3 часа.

Состав катализатора, обезжиренного кальцинированной содой под воздействием ультразвука, представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Состав обезжиренного отработанного никелевого катализатора

Из данных таблицы 2 видно, что в обезжиренном катализаторе остается 2,0-6,5% масла в зависимости от способа обезжиривания. Однако при использовании ультразвука длительность процесса сокращается по сравнению с традиционным методом, а также значительно снижается количество остаточного жира. В частности, количество остаточного масла составляло 3,3-4,2 % при обезжиривании отработанного катализатора каустической содой традиционным способом и 5,2-6,5 % при обработке кальцинированной содой, то видно, что при использовании ультразвука эта величина снижалась до 2,0-2,6%. Это объясняется тем, что под воздействием ультразвука частицы электролита проникают внутрь пор катализатора, уменьшают энергию активации реагентов и увеличивают скорость их столкновения.

Список литературы:

1. Kadirov Y., Ruzibayev A. Yog’larni qayta ishlash texnologiyasi //T.:“Fan va Texnologiya. – 2014. – Т. 320.
2. Ачилова С. С. и др. Рафинация пищевых саломасов полученных из темного и светлого растительных масел водным раствором силиката натрия // Universum: технические науки. – 2020. – №. 3-2 (72). – С. 21-25.
3. Ruzibayev A.T., Kadirov Y. K., Rahimov D. P. Intensification of the hydrogenation process of vegetable oils with effective methods of detoxication of catalyst. // European Applied Sciences, 2015, №5, p. 58-61
4. Berben P. Hydrogenation of fats and oils: trends in catalyst development // Lipid Technology Newsletter. 2002. -№8. -P.133-137.
5. Garole D.J. Sawant A.D. Recovery of Nickel and Oil from Spent Nickel Hydrogenation Catalyst // Research Journal of Chemical Sciences, Vol. 2(12), 27-30, December (2012
6. Abdel-Aal E.A. and Rashad M.M., Kinetic study on the leaching of spent nickel oxide catalyst with sulfuric acid, Hydrometallurgy, 74(3-4), 189-194 -2004
7. Mohammad Ibraim Nasir. Processing of spent nickel catalyst for fat recovery // Ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 21(1): 10-13, jan.-abr. 2001
8. Sandra Kentish and Hao Feng. Applications of Power Ultrasound in Food Processing // Annual Review of Food Science and Technology, 2014, Volume 5, Number 1, Page 263.
9. Li, Mengge & Zhou, Cunshan & Wang, Bo & Zeng, Shiyu & Mu, Rongyi & Li, Guohua & Li, Bingzheng & Lv, Weiqiao. (2023). Research progress and application of ultrasonic- and microwave-assisted food processing technology. Comprehensive reviews in food science and food safety. 22. 10.1111/1541-4337.13198.
10. Medeiros, Aldo & Santos, Ênio & Azevedo, Saulo & Jesus, Anderson & Oliveira, Humberto & Sousa, Elisa. (2018). Chemical interesterification of cotton oil with methyl acetate assisted by ultrasound for biodiesel production. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 35. 1005-1018. 10.1590/0104-6632.20180353s20170001.
11. Mahmood Fashandi, Hamid & Ghavami, Mehrdad & Gharachorloo, Maryam & Abbasi, Roya. (2016). Using of Ultrasonic in Degumming of Soybean and Sunflower Seed Oils: Comparison with the Conventional Degumming: Degumming of Soybean and Sunflower Seed Oils. Journal of Food Processing and Preservation. 41. 10.1111/jfpp.12799.
12. Abbasi, Roya & Gharachorloo, Maryam & Ghavami, Mehrdad & Mahmood Fashandi, Hamid. (2016). The Effect of Ultrasonic Waves in Bleaching of Olive and Sunflower Oils and Comparison with Conventional Bleaching. Journal of Food Processing and Preservation. 41. 10.1111/jfpp.13079.