ДИНАМИКА ПРОИЗВОДСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И МЕТОДЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются технологические аспекты производства биодизеля, включая процессы этерификации и трансэстерификации, использование различных катализаторов и перспективные сырьевые источники, такие как соевое, пальмовое и рапсовое масла. Кроме того, рассказывается о том, что биодизель безопасен для экосистемы, так как он легко разлагается при попадании в почву или воду. Анализируются глобальные тенденции в производстве и потреблении биодизеля, региональное распределение производства, а также влияние ключевых параметров на эффективность процесса. Особое внимание уделяется инновационным подходам в катализе, позволяющим минимизировать отходы и повысить экономическую эффективность производства. Представлены данные о мировых объемах производства биодизеля и его конкурентоспособности на фоне замедленного роста добычи ископаемых видов топлива.

ABSTRACT

The article discusses the technological aspects of biodiesel production, including esterification and transesterification processes, the use of various catalysts, and promising raw materials such as soybean, palm, and rapeseed oils. In addition, it is said that biodiesel is safe for the ecosystem, as it decomposes easily when released into soil or water. Global trends in biodiesel production and consumption, regional distribution of production, as well as the impact of key parameters on process efficiency are analyzed. Special attention is paid to innovative approaches in catalysis, which minimize waste and increase the economic efficiency of production. Data on global biodiesel production and its competitiveness against the background of the slow growth of fossil fuel production are presented.

Ключевые слова: биодизель, возобновляемые источники энергии, этерификация, катализаторы, растительные масла, экологическая безопасность.

Keywords: biodiesel, renewable energy sources, esterification, catalysts, vegetable oils, environmental safety.

Введение. Современные общества сталкиваются с проблемами, связанными с множеством экологических и экономических вызовов, с применением традиционного ископаемого топлива. Ключевыми проблемами являются ограниченность нефтяных ресурсов, рост стоимости топлива и значительные экологические последствия, включая изменение климата и загрязнение окружающей среды. Эти вызовы направлены на поиск более экологически чистых и возобновляемых источников энергии, способных стать источником энергии.

В последние годы биодизель стал объектом значительного внимания как экологическая чистота и устойчивая альтернатива традиционному дизельному топливу. Он обладает рядом важных преимуществ, таких как снижение выбросов парниковых газов, биоразлагаемость и использование возобновляемого сырья. Например, содержание серы в биодизеле составляет менее 0,001%, что значительно ниже по сравнению с минералами.

Кроме того, биодизель безопасен для экосистемы, так как он легко разлагается при попадании в почву или воду. Его производство требует сравнительно низких затрат и позволяет применять компактные и мобильные установки, что повышает доступность этой технологии. Одним из наиболее перспективных сырьевых материалов для производства биодизеля является соевое масло, благодаря его благоприятным возможностям.

Инновации в данной области включают использование гетерогенного катализатора, который сводит к минимуму отходы образования, что не соответствует коммерческим ценностям. Кроме того, непрореагировавший спирт поступает в производственный процесс, что требует затрат. В отличие от этого, использование гомогенных катализаторов, сопровождающихся образованием глицерина, не требует дополнительных затрат.

Материалы и методы. Биодизель позиционируется как экологически чистое топливо, подходящее для использования во всех типах дизельных двигателей без необходимости их модификации. Его популярность обусловлена возобновляемым характером, так как он производит различные растительные масла, доступные во всем мире. Этот аспект стимулирует растущий интерес к его дальнейшему развитию. На текущий момент биодизеля западного роста, что позволяет ему конкурировать с замедленным производством ископаемых видов.

Рисунок 1. Динамика производства биодизельного топлива по зонам

На рисунке 1 изменения в мировых тенденциях производства биодизельного топлива в последние годы. Для его производства используется широкий спектр природных источников, включая пищевые масла, несъедобные масла, мясные продукты пищевой промышленности и жидкости. Применение чистого растительного масла в качестве основного источника позволяет свести к минимуму содержание остатков жирных кислот. Напротив, несъедобные масла часто имеют более высокий уровень содержания жирных кислот.

Более широкий спектр растительных масел служит полезными ископаемыми для производства биодизеля, что показано на рисунке 2. Одним из возможных решений является добавление биодизеля к минеральному топливу. Более того, изменчивые продукты, образующиеся при производстве биодизеля, могут быть использованы повторно, например, для производства.

Широкий спектр применения для производства биодизеля включает соевое, пальмовое и рапсовое масла, животные жиры, несъедобные масличные семена, а также использованные пищевые масла, что проиллюстрировано на рисунке 2. масла и редких продуктов переработки растительных материалов, позволяет значительно снизить затраты на производство.

Рисунок 2. Доля сырья в ЕС по производству биодизельного топлива в 2021 году

Биодизельное производство активно развивается как в Китае, так и в странах Африки. В таких странах, как США, Германия и Бразилия, биодизель производится на основе растительных масел и жиров, а также отходов кухонного жира. Эти страны также активно внедряют технологии для повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду. В таких странах, как Индия и Южная Африка, акцент делается на использованные масла и местные сельскохозяйственные культуры. Данные об уровне производства в мире значительно снижаются в зависимости от источников, что усложняет их сравнение из-за различных показателей использования единиц измерения, таких как литры, галлоны, баррели, метрические тонны и тонны нефтяного эквивалента.

На глобальном рынке биотоплива доминируют в трех основных регионах: США (22,0 млн тнэ, 42% Соединённых Штатов), Бразилия (13,9 млн тнэ, 29%) и Европейский Союз (10,0 млн тнэ, 18%). Другие страны, совокупно производящие 5,9 млн тнэ (11%), в последнее время вошли на рынок, при этом некоторые из них демонстрируют впечатляющий ежегодный рост. Среди них Китай (1,3 млн тнэ), Аргентина (1,1 млн тнэ), Канада (0,83 млн тнэ) и Таиланд (0,69 млн тнэ). Производство в других регионах мира составляет около 1,2 млн тнэ.

В процессе производства биодизеля используется реакция этерификации. Она представляет собой химический процесс, в ходе которого кислота взаимодействует со спиртом, образуя сложный эфир и воду. Классический вариант такого устройства обеспечивает взаимодействие карбоновой кислоты и спирта, представленное в общем виде.

Рисунок 3. Общая схема реакции этерификации свободных жирных кислот с метанолом

В процессе этерификации органические радикальные кислоты взаимодействуют с органическим радикалом спирта, образуя сложный эфир и воду. Для ускорения режима и смещения равновесия в сторону образования эфира использует катализатор в виде энергетических кислот, который способствует удалению воды из традиционного подхода.

Механизм этерификации начинается с протонирования карбонильной группы кислоты, в результате чего карбонильный углерод становится более электрофильным и, соответственно, более уязвимым для воздействия со стороны спирта. Спирт, выступая в роликах нуклеофила, взаимодействует с этим углеродом, что приводит к образованию промежуточного тетраэдрического комплекса. Затем этот комплекс подает молекулы воды, образуя протонированный эфир, который впоследствии депротонируется, образуя – сложный эфир.

Результаты и обсуждение. Реакции этерификации находят широкое применение в промышленности. Полученные сложные эфиры используются в качестве растворителей, ароматизаторов, пластификаторов, а также при производстве фармацевтических препаратов. Для повышения выхода эфиров часто применяются методы удаления воды из традиционных смесей, что позволяет сместить равновесие в сторону образа.

Катализаторы играют главную роль в ускорении этерификации состояния и повышении ее эффективности. Гомогенные кислоты, такие как серная и соляная, широко изучаются благодаря их высокой активности и доступной стоимости.

Заключение. Таким образом, гетерогенные твёрдые кислотные катализаторы обладают рядом преимуществ, включая простоту отделения от стандартной смеси и возможность многократного использования. Исследования показывают, что такие катализаторы, как оксиды металлов, проявляют каталитическую активность в процессах этерификации, делая их перспективными для промышленного использования.

Список литературы:

1. Жураев Т.Ж., Исмаилов О.Ю., Исаматова Д.Н. Технология утилизации отработанных моторных масел. // Журнал «ТАДҚИҚОТ ВА ИННОВАЦИЯЛАР», №5 (2024) стр 44-53 https://zenodo.org/records/13837172
2. Кондрашева Н.К., Еремеева А.М. Получение биодизельного топлива из растительного сырья // Записки Горного института. 2023. Т. 260. С. 248-256. DOI: 10.31897/PMI.2022.15.
3. А.Ю. Кучкина, Н.Н. Сущик. Источники сырья, методы и перспективы получения биодизельного топлива. // Journal of Siberian Federal University. Biology 1 (2014 7) стр.14-42.
4. С.М. Каленская, А.В.Юник, В.П.Каленский, В.З.Макарявичене, Э.А.Сенджикене. Альтернативное растительное сырье для производства биодизеля. // Известия ТСХА, № 6 (2013) стр. 31-39.
5. С.П. Иванов, Технология производства биодизеля. // СПб.: Издательство Политехнического университета, 2019.
6. UNFCCC. (2015). Paris Agreement. United Nations Framework Convention on Climate Change.
7. Smith, A. B., et al. (2018). "Kinetic Modeling of Biodiesel Production via Esterification of Vegetable Oils." Journal of Chemical Engineering, 25(2), 123–135.