Очистка биотоплива углекислым газом

УДК 662.767

ОЧИСТКА БИОТОПЛИВА УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ © 2018 г. С.А. Нагорнов, А.Г. Мещеряков, Ю.В. Мещерякова

Использование углекислотной промывки позволит сократить время реакции. Рассмотрены возможности улучшения качества синтезируемого биотоплива из растительной биомассы. Биодизельное топливо получали по реакции пере-этерификации в присутствии щелочного катализатора, остатки которого необходимо удалять, так как возможна коррозия топливной системы дизельного двигателя. Представлена классификация основных способов очистки, которые разделили на три группы: мокрый, сухой, ферментный. Наиболее перспективным представляется очистка мокрым способом с использованием кислот. Целью исследований является проверка возможности очистки биодизельного топлива от щелочного катализатора различными кислотами: ортофосфорной кислотой и углекислотой. Установлено, что эффективным способом очистки является использование углекислого газа, который не требует дополнительной промывки водой, по сравнению с классической промывкой биотоплива ортофосфорной кислотой. Для этого синтезируемое биотопливо промывали водой и его качество оценивали по показателю рН водной вытяжки. В результате исследований установлены значения рН водных вытяжек неочищенного (10,2), очищенного биотоплива углекислым газом (6,8) и ортофосфорной кислотой (2,5). При использовании неочищенного топлива требуется наибольшее количество промывок водой, при этом рН водной вытяжки снижается до 8,2; при использовании биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой, количество промывок снижается и рН повышается до 6,8; при использовании биотоплива, очищенного углекислотой, рН достигает значения 6,8 уже после первой промывки. Таким образом, эффективным способом очистки является использование углекислого газа, который не требует дополнительной промывки водой, по сравнению с классической промывкой биотоплива ортофосфорной кислотой, кроме того, позволит сократить время реакции.

Ключевые слова: биотопливо, катализатор, очистка, углекислый газ, фосфорная кислота, углекислоты, рН водной вытяжки, нейтрализация.

The ways of improving the quality of synthesized biofuels from plant biomass are considered. Biodiesel fuel was produced by the transesterification reaction in the presence of an alkaline catalyst, the remains of which must be removed, since corrosion of the fuel system of the diesel engine is possible. The classification of the main cleaning methods is presented, which were divided into three groups: wet, dry, enzyme. The most promising is cleaning with a wet method using acids. It has been established that the effective method of cleaning is the use of carbon dioxide, which does not require additional washing with water, in comparison with the traditional washing of biofuels, with orthophosphoric acid. Using carbon dioxide washing will shorten the reaction time. The purpose of the research is to test the possibility of cleaning biodiesel from an alkaline catalyst, various acids: orthophosphoric acid and carbon dioxide. To this end, the biofuels synthesized were washed with water and its quality was evaluated by the pH of the aqueous extract. As a result of the studies, the pH values of the aqueous extracts of crude (10,2), purified biofuels with carbon dioxide (6,8) and orthophosphoric acid (2,5) were established. When using unrefined fuel, the greatest amount of washing with water is required, while the pH of the aqueous extract is reduced to 8,2; When using biofuel purified by orthophosphoric acid, the amount of washes is reduced, and the pH rises to 6.8; When using carbon dioxide-purified biofuels, pH makes 6,8 after the first wash. Thus, an effective method of cleaning is the use of carbon dioxide, which does not require additional washing with water, in comparison with the traditional washing of biofuels, orthophosphoric acid, in addition, will shorten the reaction time.

Keywords: biofuel, catalyst, cleaning, carbondioxide, phosphoricacid, carbonicacid, pH of aqueous extract, neutralizing.

Введение. Технология получения биотоплива из растительной биомассы была разработана еще в XX веке и до сих практически не изменилась. Биотопливо получают по традиционной технологии, многореакторной непрерывной технологии, технологии, разработанной ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии. Совершенствование технологического процесса получения биотоплива привело к возможности непрерывного его получения, увеличению выхода метиловых эфиров растительного масла, сокращению времени реакции [1-4].

Весь процесс получения биотоплива можно разделить на несколько стадий: 1) приготовление алкоголята;

2) смешивание алгкоголята с маслом;

3) очистка биотоплива от глицерина и катализатора.

Заключительным и важным этапом в производстве биотоплива является его очистка от катализатора (нейтрализация), так как оставшийся катализатор может вызвать коррозию топливной системы дизельного двигателя [5]. Существует несколько способов очистки топлива от катализатора: сухой, мокрый и ферментный (рисунок 1).

В сухом способе используются силикаты (Мадпвзо! или Тпэу!), ионообменные смолы, целлюлоза, активированная глина, активированный уголь, активированные волокна и т.д.

Рисунок 1 - Классификация способов очистки биотоплива от катализатора

Сухой способ обычно проводят при температуре 65 °С в течение 20-30 минут [6]. Однако осуществление такого способа дорого из-за высокой стоимости реагентов.

Более традиционным является мокрый способ или по-другому - водная промывка, где используется дистиллированная или водопроводная вода, которая вымывает примеси. Способ заключается в добавлении определенного количества воды в биотопливо и смешивание. Однако включение дополнительной воды в процесс обладает следующими недостатками: потребление воды, длительность процесса, дополнительная сушка биотоплива. Очистка биотоплива может осуществляться и кислотой, которая нейтрализует щелочной катализатор. В классическом варианте щелочной катализатор удаляют путем нейтрализации ортофос-форной кислотой [7, 8] и последующей промывкой топлива водой. Здесь различают следующие промывки: аэрозольная, объемная и пенная.

Аэрозольная промывка осуществляется с помощью распылителей, с последующим стоком воды после её протекания. Объемная промывка заключается в смешении одинакового количества воды и биотоплива, полученная смесь отстаивается, и вода сливается, процесс повторяется многократно. При пенной промывке смешивается 1/3 воды и 2/3 биотоплива при последующем барботировании воздуха через слой воды. В результате происходит перемешивание, при этом соли катализатора, получен-

ные при нейтрализации биотоплива раствором кислоты, и другие примеси удаляются [9].

Возможно использование углекислоты, которая не требует промывки водой. Для этого необходимо использовать газожидкостный смеситель для смешивания углекислого газа с биотопливом. Все газожидкостные смесители можно разделить на несколько групп: барботажные, механические, пленочные и кавитационные.

Для барботажных смесителей характерна прежде всего простота конструктивного исполнения и высокая эксплуатационная надежность. Среди них известны: реактор барботажный колонный, реактор барботажный газлифтный, реактор барботажный змеевиковый. Используются они как при периодическом, так и при непрерывном процессах обработки жидкостей. Такой способ смешивания отличается прежде всего простотой конструктивного исполнения и, следовательно, высокой эксплуатационной надежностью.

Для механических смесителей характерна большая удельная поверхность контакта фаз, что обеспечивает возможность обработки сред с сильно отличающимися плотностями составляющих компонентов.

Пленочные смесители - это аппараты с пленочным течением жидкости. Среди них выделяют: реактор со свободно стекающей пленкой, реактор с восходящей пленкой, реактор с закрученным газожидкостным потоком. Недостатком всех этих смесителей является высокая

дисперсность [10]. Наибольшее распространение в практике приготовления смесей получили гидравлические кавитационные устройства.

Целью исследований является проверка эффективности очистки биодизельного топлива различными кислотами (ортофосфорной кислотой и углекислотой).

Материалы и методы. Биодизельное топливо получали по реакции переэтерифика-ции в присутствии щелочного катализатора -гидроксида калия.

Синтезировали топливо на магнитной мешалке в течение 30 минут при температуре 60 °С. Количество катализатора составило 2% от массы масла. Полученное биотопливо очищали углекислым газом с помощью барботиро-вания и ортофосфорной кислотой. Готовое биотопливо промывали водой и его качество оценивали по показателю рН водной вытяжки. рН определяли с помощью рН-метра лабораторного АТС 100 (рисунок 2). На рисунке 3 показан внешний вид водной вытяжки, полученной в результате промывки биотоплива.

Рисунок 2 - Промывка биотоплива водой и определение рН

1 - водная вытяжка биотоплива, очищенного углекислым газом; 2 - водная вытяжка после биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой; 3 - водная вытяжка после неочищенного биотоплива Рисунок 3 - Внешний вид водной вытяжки

Результаты и их обсуждение. На рисунке 4 представлены результаты рН водной вытяжки при разных способах очистки биотоплива. Установлено, что значение рН промывочной воды близко к нейтральному (6,8) после очистки биотоплива углекислым газом. При очистке топлива ортофосфорной кислотой значение рН промывочной воды кислое (2,5), а в неочищенном топливе щелочное (10,2) (рисунок 3). Следовательно, при очистке биотоплива ор-тофосфорной кислотой необходима дополнительная промывка топлива водой.

Проводили исследование по влиянию количества промывок на рН водной вытяжки (рисунок 5).

При использовании неочищенного топлива требуется наибольшее количество промывок водой, при этом рН промывочной воды снижается до 8,2; при использовании биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой, количество промывок снижается и рН повышается до 6,8; при использовании биотоплива, очищенного углекислотой, рН достигает значения 6,8 уже после первой промывки (рисунок 5).

к

и *

£ л

ю

«

о К

э

и

к

СР

12

10

3

Виды топлив

1 - водная вытяжка биотоплива, очищенного углекислым газом; 2 - водная вытяжка после биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой; 3 - водная вытяжка после неочищенного биотоплива Рисунок 4 - Значения рН промывочной воды при разной очистке

к

и *

Ё 3

и

«

о

К

о

и

К

а

12

10

4 6 8 10

Объем промывочной воды, л

8

6

4

2

0

1

2

8

6

4

2

0

0

2

1 - промывочная вода после биотоплива, очищенного углекислым газом; 2 - промывочная вода после биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой; 3 - промывочная вода после неочищенного биотоплива Рисунок 5 - Влияние количества промывок на рН водной вытяжки

Выводы. Синтезируемое биотопливо необходимо подвергать очистке от катализатора, так как может произойти коррозия топливной системы дизельного двигателя. Рассмотрены основные способы очистки биотоплива, представлена их классификация. Экспериментально установлено, что наиболее эффективным по сравнению с кислотно-водной промывкой является очистка углекислым газом.

Литература

1. Павлов, С.С. Экспериментальное исследование изменения температуры потоков в вихревой трубе / С.С. Павлов, Н.А. Колмаков // Инновации в сельском хозяйстве. - М.: Изд-во ВИЭСХ, 2013. - № 2. - С. 75-78.

2. Павлов, С.С. Использование эффекта турбулентности для получения биодизельного топлива / С.В. Романцова, С.С. Павлов, Н.А. Колмаков // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: сб. науч. докл. XVI Междунар. науч.-практ. конф. 2011 г., г. Тамбов. - Тамбов: Изд-во Перши-на Р.В., 2011.

3. Синтез биодобавки к дизельному топливу / Ю.В. Мещерякова, С.А. Нагорнов, А.Ю. Корнев, А.Г. Мещеряков, И.В. Ерохин // Наука в центральной России. -2016. - № 1. - С. 15-22.

4. Wander P.R., Altafini C.R., Colombo A.L. Durability studies of mono-cylinder compression ignition engines operating with diesel, soy and castor oil methyl esters // Energy. -2011. - V. 36. - P. 3917-3923.

5. Блохин, Я. Выбор катализатора для производства биодизеля // Докл. на 3-м междунар. конгрессе «Био-дизель-2008», 26-27 ноября 2008 г., г. Москва. - С. 7.

6. Swati, G. Wet and Dry Washing Purification Method for Biodiesel / Swati Gupta // Wet and Dry Washing Purification Method for Biodiesel: International Conference of Advance Research and Innovation. - 2014. - Р. 592-596.

7. Нагорнов, С.А. Получение биодизельного топлива из микроводорослей / С.А. Нагорнов, Ю.В. Мещерякова // Тракторы и сельхозмашины. - 2015. - № 10. - С. 3-5.

8. Сравнительный анализ технологий получения биотоплива для дизельных двигателей / А.Н. Зазуля, С.А. Нагорнов, С.В. Романцова, В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, И.Г. Голубев. - М.: ФГБНУ «Росинформаг-ротех», 2013. - С. 89-93.

9. Полщук, О.В. Особливост очищення бюдизеля / О.В. Полщук // Науковий вюник Нацюнального уыверситету бюресурав i при родокористування: зб. наук. праць. - КиТв, 2014. - № 196. Ч. 2. - С. 107-111.

10. Хоанг, Нгиа Дат. Обоснование параметров технологического процесса нейтрализации остатков гид-роксида калия (КОН) при производстве биотоплива из культуры ятрофы / М.Н. Московский, Хоанг Нгиа Дат // Инженерный вестник Дона: электронный научный журнал. - № 1. - 2015. - 9 с.

References

1. Pavlov S.S., Kolmakov N.A. Jeksperimental'noe is-sledovanie izmenenija temperatury potokov v vihrevoj trube [Experimental research of temperature changes of flows in a vortex tube], Innovacii v sel'skom hozjajstve, M., Izd-vo VIJeSH, 2013, No 2, pp. 75-78.

2. Romancova S.V., Pavlov S.S., Kolmakov N.A. Is-pol'zovanie jeffekta turbulentnosti dlja poluchenija biodi-zel'nogo topliva [Using the turbulence effect to produce bio-

diesel], Povyshenie effektivnosti ispol'zovanija resursov pri proizvodstve seiskohozjajstvennoj produkcii - novye tehno-logii I tehnika novogo pokolenija dlja rastenievodstva i zhivot-novodstva: sb. nauch. dokl. XVI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. 2011 g., Tambov, Izd-vo Pershina R.V.

3. Meshherjakova Ju.V., Nagornov S.A., Kor-nev A.Ju., Meshherjakov A.G., Erohin I.V. Sintez biodobavki k dizel'nomu toplivu [Synthesis of bioadditives to diesel fue], Nauka v central'noj Rossii, 2016, No 1, pp. 15-22.

4. Wander P.R., Altafini C.R., Colombo A.L. Durability studies of mono-cylinder compression ignition engines operating with diesel, soy and castor oil methyl esters, Energy, 2011, V. 36, pp. 3917-3923.

5. Blohin Ja. Vybor katalizatora dlja proizvodstva bio-dizelja [Selection of a catalyst for biodiesel production]: dokl. na 3-m mezhdunar. kongresse «Biodizel'-2008», 26-27 noja-brya 2008 g., Moscow, p. 7.

6. Swati G. Wet and Dry Washing Purification Method for Biodiesel / Swati Gupta // Wet and Dry Washing Purification Method for Biodiesel, International Conference of Advance Research and Innovation, 2014, pp. 592-596.

7. Nagornov S.A., Meshherjakova Ju.V. Poluchenie biodizel'nogo topliva iz mikrovodoroslej [Biodiesel production from microalgae], Traktory i sel'hozmashiny, 2015, No 10, pp. 3-5.

8. Zazulja A.N., Nagornov S.A., Romancova S.V., Fe-dorenko V.F., Buklagin D.S., Golubev I.G. Sravnitel'nyj analiz tehnologij poluchenija biotopliva dlja dizel'nyh dvigatelej [Comparative analysis of biofuel production technologies for diesel engines], M., FGBNU «Rosinformagroteh», 2013, pp. 89-93.

9. Polishhuk O.V. Osoblivosti ochishhennja biodizelja [Features of biodiesel purification], Naukovij visnik Nacional'nogo universitetu bioresursiv i pri rodokoristuvannja: zb. nauk. prac\ Kiïv, 2014, No 196, Ch. 2, pp. 107-111.

10. Moskovskij M.N., Hoang Ngia Dat. Obosnovanie parametrov tehnologicheskogo processa nejtralizacii ostatkov gidroksida kalija (KON) pri proizvodstve biotopliva iz kul'tury jatrofy [Justification of neutralization process parameters of potassium hydroxide residues in the production of biofuel from the culture of jatropha], Inzhenernyj vestnik Dona: jelek-tronnyj nauchnyj zhurnal, No 1, 2015, 9 p.

Сведения об авторах

Нагорнов Станислав Александрович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (Тамбов, Российская Федерация). Тел.: 8-475-244-01-37. E-mail: snagornov@yandex.ru.

Мещерякова Юлия Владимировна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (Тамбов, Российская Федерация). Тел.: +7-920-475-00-36. E-mail: yulya-belova@yandex.ru.

Мещеряков Александр Геннадьевич - аспирант, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (Тамбов, Российская Федерация). Тел.: +7-920-475-00-23. E-mail: alex_mec@bk.ru.

Information about the authors Nagornov Stanislav Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, deputy director, FSBSI «All-Russian Research Institute of the Machinery and Oil Products Use in Agriculture» (Tambov, Russian Federation). Phone: 8-475-244-01-37. E-mail: snagornov@yandex.ru.

Meshcheryakova Yuliya Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, senior researcher, FSBSI «All-Russian Research Institute of the Machinery and Oil Products Use in Agriculture» (Tambov, Russian Federation). Phone: +7-920-475-00-36. E-mail: yulya-belova@yandex.ru.

Meshcheryakov Alexander Gennadievich - postgraduate student, FSBSI «All-Russian Research Institute of the Machinery and Oil Products Use in Agriculture» (Tambov, Russian Federation). Phone: +7-920-475-00-23. E-mail: alex_mec@bk.ru.

УДК 631.362

СТИМУЛИРОВАНИЕ СЕМЯН ЧЕЧЕВИЦЫ ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ © 2018 г. В.А. Сыркин, Т.С. Гриднева, П.В. Крючин, С.В. Машков, С.И. Васильев

Предметом исследований являются параметры импульсного магнитного поля, при которых оно оказывает оптимальное стимулирующее воздействие на семена чечевицы. Цель работы - повышение эффективности выращивания чечевицы за счет стимуляции семян импульсным магнитным полем. Для проведения эксперимента разработана лабораторная установка, позволяющая создавать импульсное магнитное поле в диапазоне от 10 Гц до 2 кГц. В экспериментах исследовались три фактора, влияющих на прорастание семян чечевицы: частота магнитного поля, время стимуляции семян, время выдержки перед посевом. Семена, обработанные в магнитном поле, проращивались на влажной салфетке в герметичном контейнере, а также выращивались в грунте в кассетах для рассады. Приведены результаты исследований при изменении фактора - частоты магнитного поля, составляющей 10 Гц, 30 Гц и 50 Гц. Фактор времени стимуляции составил 1 минуту. Проращивание семян осуществлялось без выдержки времени. Анализ средней длины проростков показал лучшие результаты у семян, обработанных в магнитном поле. При частотах магнитного поля 10 Гц, 30 Гц и 50 Гц средняя длина составила соответственно 41,76 мм, 43,30 мм и 42,09 мм. На контроле средняя длина составила 34,92 мм. Коэффициент вариации разности длины проростков при частоте магнитного поля 10 Гц составил 56,1%, при частоте 30 Гц - 44%, при частоте 50 Гц - 42,1% и на контроле - 51,8%. Анализ средней длины растений, выращенных в грунте, также показал лучшие результаты у семян, обработанных в магнитном поле. Таким образом, стимулирование семян в магнитном поле оказывает положительный эффект, способствующий увеличению интенсивности и дружности их прорастания и дальнейшему росту растений.

Ключевые слова: семена, чечевица, стимулирование, магнитное поле, проращивание, частота поля, время стимулирования, дружность прорастания.

The subject of researches are parameters of an impulse magnetic field in case of which it makes the optimum stimulating impact on lentil seeds. The purpose of operation - increase in efficiency of cultivation of lentil due to stimulation of seeds an impulse magnetic field. The laboratory installation allowing to create an impulse magnetic field in the range from 10 Hz to 2 kHz is developed for carrying out an experiment. In experiments three factors influencing germination of seeds of lentil were researched: frequency of a magnetic field, time of stimulation of seeds, exposure time before crops. The seeds processed in a magnetic field were couched on the wet towel wipes in a hermetic container and also grown up in soil in holders for seedling. Results of researches in case of change of a factor are given - frequencies of a magnetic field, component 10 Hz, 30 Hz and 50 Hz. The factor of time of stimulation made 1 minute. Germination of seeds was carried out without time exposure. The analysis of average length of sprouts showed the best results at the seeds processed in a magnetic field. With frequencies of magnetic field of 10 Hz, 30 Hz and 50 Hz the average length made according to 41,76 mm, 43,30 mm and 42,09 mm. On monitoring the average length made 34,92 mm. The coefficient of a variation of a difference of length of sprouts with a frequency of magnetic field of 10 Hz made 56,1%, with a frequency of 30 Hz - 44%, with a frequency of 50 Hz - 42,1% and on monitoring of 51,8%. The analysis of average length of the plants which are grown up in soil also showed the best results at the seeds processed in a magnetic field. Thus, stimulation of seeds in a magnetic field has the positive effect promoting increase in intensity and density of their germination and further growth of plants.

Keywords: seeds, lentil, stimulation, magnetic field, germination, field frequency, stimulation time, density of germination.

Введение. В последние годы все больше возрастает спрос на экологически чистую продукцию. Для получения такой продукции должны применяться технологии с минимальным использованием химических препаратов или исключающие их вовсе. При этом для сохранения эффективности производства урожайность растений не должна снижаться, а себестоимость производства увеличиваться [1].

Одним из способов увеличения урожайности является использование электрофизических способов воздействия на растения и семена с целью стимулирования их роста и развития, получения дружных всходов, повышения устойчивости к болезням. При этом если элек-

трофизическая стимуляция растений приемлема в основном при выращивании в закрытом грунте, то стимуляция семян может применяться фактически для всех возделываемых сельскохозяйственных культур. Широкое распространение получила предпосевная обработка семян и растений электромагнитным полем, магнитным полем, ультрафиолетовым излучением, озоном, ультразвуком, электрохимически активированной водой и т.д. [2-5, 8-12].

Предпосевная стимуляция семян в магнитном поле является одним из перспективных направлений, обеспечивающих повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Магнитное поле не оказывает неблагоприятного