Biofuels production using canola oil over heterogeneous catalysts

Abstract

The goal of this study was to investigate the activity of Ni loaded on Al2O3-SiO2 supports prepared with different acids for the production of biofuel grade compounds while using canola oil as our feedstock. While keeping the reaction conditions constant, catalyst preparation parameters such as aluminum concentration, nickel concentration, calcination temperature, and acid types investigated with statistical methods by constructing Box Behnken design using three continuous parameters with two levels and one categorical parameter with three level. Responses considered in this study were aldehyde, ester, organic acid and other compound yields calculated from the GC-MS analysis. After ANOVA analysis, empirical models calculated from this analysis used to optimize the catalyst preparation parameters. Three catalysts, one for each acid type, selected to investigate the validity of our model. Analysis did on these catalysts have shown that both 0% Ni/25% Al2O3-75% SiO2 w/H2SO4 at 900oC and 20% Ni/75% Al2O3-25% SiO2 w/H3PO4 at 900oC catalysts gave good ester yields with good organic acid utilization. 20% Ni/75% Al2O3-25% SiO2 w/H3PO4 at 900oC catalyst was exceptional in ester selectivity aspect while 0% Ni/25% Al2O3-75% SiO2 w/H2SO4 at 900oC catalyst was in organic acid utilization aspect. Presence of aluminum phosphate crystal phase observed with XRD resulted in 20% Ni/75% Al2O3-25% SiO2 w/H3PO4 at 900oC catalyst having the highest selectivity towards ester production. Combination of weak and strong acid sites increased the organic acid selectivity while lowering the selectivity towards esters for 0% Ni/25% Al2O3-75% SiO2 w/H2SO4 at 900oC catalyst. From the low organic acid utilization observed with 10% Ni/25% Al2O3-75% SiO2 w/HNO3 at 500oC and, 10% Ni/50% Al2O3-50% SiO2 w/H2SO4 at 700oC catalysts which had high amounts of weak acid sites, it could be said that organic acids can only be reacted over strong acid sites.

Bu çalışmada farklı asitlerle hazırlanmış Ni yüklü Al2O3-SiO2 desteği üzerine Ni yüklenmesinin sabit reaksiyon koşullarında biyoyakıt üretimi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Başlangıç malzemesi olarak kanola yağı kullanılırken, aluminyum miktarı, nikel miktarı, kalsinasyon sıcaklığı ve peptitleme işleminde kullanılan asit tipinin katalizör ve reaksiyon üzerindeki etkisini incelemek için Box Behnken istatistiksel tasarımı kullanılmıştır. Tasarım hazırlanırken devamlı üç değişken için iki seviye seçilirken, kategori değişkeni için üç seviye seçilmiştir. Tasarımın sonuçlarını izlemek için, GC-MS analizlerini kullanarak aldehit, ester, organik asit ve diğer ürünlerin üretim miktarları incelenmiştir. ANOVA analizleri sonucunda ortaya çıkan model denklemleri kullanılarak, her asit tipi için bir tane olacak şekilde en iyi sonuçları verecek katalizör hazırlama koşulları hesaplanmıştır. Bu katalizörler de biyoyakıt üretimi reaksiyonlarına sokularak modellerin geçerliliği incelenmiştir. Ürün analizleri en yüksek ester seçiciliğini 900oC’de H3PO4 asidi ile yapılan %20 Ni/%75 Al2O3-%25 SiO2 katalizörünün verdiğini göstermiştir. En çok organic asidi reaksiyona sokan katalizör ise 900oC’de H2SO4 asidi ile hazırlanan %0 Ni/%25 Al2O3-%75 SiO2 katalizörü olmuştur. XRD analizi göz önüne alındığında, 900oC kalsinasyonda H3PO4 asidi kullanılarak hazırlanan %20 Ni/%75 Al2O3-%25 SiO2 katalizörünün ester üretiminin aluminyum fosfat kristal fazından ötürü kaynaklandığı söylenebilir. Kuvvetli ve zayıf asit bölgelerinin birleşimi, 900oC kalsinasyonda H2SO4 asidi ile hazırlanan %0 Ni/%25 Al2O3-%75 SiO2 katalizörünün düşük ester seçiciliği ile en fazla organik asidi reaksiyona soktuğu da analizlerin sonunda ortaya çıkmıştır. 500oC’de HNO3 ile yapılan %10 Ni/%25 Al2O3-%75 SiO2 ve 700oC’de H2SO4 ile yapılan %10 Ni/50% Al2O3-%50 SiO2 katalizörlerinin kötü performansı, zayıf asit bölgelerinin organik asit ile reaksiyona girememesinden kaynaklanmaktadır.