Исследователи Томского политехнического университета применили собственный наномембранный реактор для получения биотоплива из рапсового масла. Испытания продемонстрировали, что использование данного реактора позволяет сократить время производства биотоплива почти в два раза. Проект осуществляется с поддержкой федеральной программы Минобрнауки «Приоритет-2030» в рамках национального проекта «Молодежь и дети».
Результаты были опубликованы в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research (Q2, IF: 3.8). Состав компонентов реактора и метод их производства защищены патентом (№2832971).
В центре реактора находится полупроницаемая полимерная мембрана, созданная с использованием технологии многоканального электроформования на специальной установке, разработанной в Томском политехническом университете. Данная система позволяет в реальном времени точно контролировать такие параметры, как пористость, толщина и однородность мембраны. Для производства мембран используется отечественный полимерный материал — сополимер винилиденфторида с тетрафторэтиленом, который обладает отличной химической стойкостью к минеральным маслам, кислотам и щелочам.
Еще одной отличительной чертой наномембранного реактора ТПУ является уникальная структура порового пространства, что значительно улучшает процессы разделения и фильтрации при производстве топлива. Этот реактор подходит для различных промышленных процессов благодаря своей стойкости к температурам до 150–170 °C.
Биодизель — это возобновляемое топливо, получаемое из различных биологических источников, таких как растительные масла и животные жиры. В настоящее время самым распространенным и известным способом производства биодизельного топлива является процесс переэтерификации. Этот метод модификации масел и жиров позволяет изменить триглицеридный состав, что, в свою очередь, влияет на их физико-химические свойства. В ходе переэтерификации триглицериды преобразуются в метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК), при этом выделяется глицерин.
Традиционный процесс переэтерификации включает в себя этапы разделения, очистки и фильтрации конечного продукта. Основные его недостатки заключаются в высокой энергоемкости, ресурсоемкости и значительных временных затратах. По мнению ученых ТПУ, применение мембранного реактора позволит уменьшить количество производственных этапов, особенно тех, которые связаны с разделением и промывкой.
Как пояснил руководитель исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Максим Пискунов, в ходе исследования был разработан наномембранный реактор периодического действия, предназначенный для получения биотоплива методом переэтерификации с использованием рапсового масла, метанола и катализатора – гидроксида калия. Рапс является одним из наиболее перспективных сырьевых источников для производства биодизеля благодаря своей высокой производственной мощности и высокому выходу масла. Кроме того, рапс доступен в течение всего года и отличается более выгодной ценой.
- Проведенные эксперименты показали, что разработанный наномембранный реактор позволяет напрямую отделять полученный биодизель от глицерина в реакционном отсеке, сокращая этапы постпереэтерификации. 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 %, - добавляет аспирант Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Никита Хомутов.
Политехники создали наномембраны с волокнистой структурой, используя поливинилиденфторид и сополимер винилиденфторида с тетрафторэтиленом. Для оценки эксплуатационных характеристик и долговечности наномембран были проведены четыре последовательных синтеза биодизеля в каждой серии производственного процесса.
Учёные также проводили измерения вязкости, плотности, цетанового числа и температуры вспышки биотоплива, полученного по завершении каждого цикла синтеза. Полученные характеристики в основном соответствуют требованиям ГОСТ Р 53605-2009, которые предъявляются к метиловым эфирам жирных кислот, используемым в качестве биотоплива для дизельных двигателей.
Кроме того, исследователи провели тестирование трех потенциальных методов очистки наномембран, поскольку эта процедура влияет не только на качество конечного продукта, но и на возможность повторного использования мембраны. Эксперименты продемонстрировали, что наиболее эффективным способом является механическое удаление остатков.
В будущем политехники намерены заняться производством биодизеля, применяя мембраны с разнообразными характеристиками, такими как толщина, средний размер пор и удельная площадь поверхности. Исследуется их влияние на качество топлива для оптимизации технологии. Кроме того, ученые продолжат изучение методов очистки наномембран и поиски наиболее эффективных решений. Также запланированы эксперименты с использованием, например, дистиллированного таллового масла и жирных кислот, полученных из таллового масла.
В исследовании участвовали сотрудники лаборатории тепломассопереноса Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики, а также Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий и Центра аддитивных технологий общего доступа.
Источник: ТПУ.