Frontiers in Chemistry

Introduction

Biodiesel ist ein biologisch abbaubarer und erneuerbarer Kraftstoff, der durch Umesterung aus erneuerbaren Quellen wie Sojabohnen, Mikroalgen, Palm-Speiseöl und Jatropha hergestellt wird (da Silva César et al., 2018; Corach et al., 2019). In letzter Zeit zieht Biodiesel viele Forscher an, da er einer der am häufigsten untersuchten Biokraftstoffe ist, der die weltweite Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und den Treibhauseffekt verringern könnte. Die Biodieselproduktion wird Schätzungen zufolge jährlich um 4,5 % steigen und im Jahr 2022 41 Mio. m3 erreichen (Monteiro et al., 2018).

Rohglycerin ist das Hauptnebenprodukt, das während des Umesterungsprozesses in der Biodieselanlage anfällt und 10 Gew.-% des Biodieselprodukts erzeugt (Samul et al., 2014). Auf der Grundlage der Analyse wird bei jeder Produktion von 10 kg Biodiesel etwa 1 kg Rohglycerin erzeugt (Hajek und Skopal, 2010; Tan et al., 2013; Chol et al., 2018). Der aktuelle Marktwert von reinem Glycerin liegt bei 0,27 bis 0,41 US-Dollar pro Pfund; das Rohglycerin mit 80 % Reinheit liegt jedoch nur bei 0,04 bis 0,09 US-Dollar pro Pfund. Dies beweist, dass übermäßig produziertes Glycerin den Preis des Glycerins auf dem Markt beeinträchtigt. Daher ist die Verwendung von Rohglycerin für Mehrwertprodukte zu einem ernsthaften Problem in der Biodieselindustrie geworden.

Glycerin mit hohem Reinheitsgrad findet in verschiedenen Industriezweigen wie der Pharma-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie breite Anwendung. Der prozentuale Reinheitsgrad des Glycerins aus der Biodieselindustrie schränkt jedoch seine Umwandlung in ein hochwertiges Produkt ein (Samul et al., 2014; Talebian-Kiakalaieh et al., 2018). Das Rohglycerin enthält eine große Anzahl von Verunreinigungen wie Seife, Salze, Ethanol, Methanol, Wasser, Fettsäure, Methylester, Glyceride und Asche (Tan et al., 2013; Dhabhai et al., 2016). Yang et al. (2012) stellten fest, dass die Verunreinigungen im Rohglycerin dessen Umwandlung in andere Mehrwertprodukte stark beeinflussen können (Yang et al., 2012). Venkataramanan et al. (2012) berichteten außerdem, dass Seifen im Rohglycerin eine starke hemmende Wirkung auf die Nutzung des Glycerins durch Bakterien haben, was die Leistung von Rohglycerin als Kohlenstoffquelle im Fermentationsprozess beeinträchtigt (Venkataramanan et al., 2012). Daraus folgt, dass die im Rohglycerin vorhandenen Verunreinigungen eine große Herausforderung für die Umwandlung in ein wertsteigerndes Produkt darstellen. Daher ist es wichtig, das Rohglycerin zu reinigen, um eine Marktsättigung zu vermeiden und die Gewinne der Biodieselproduktion zu steigern.

In der Literatur sind die am häufigsten verwendeten Verfahren die Destillation, der Ionenaustausch, die Membrantrenntechnik, die Säuerung, gefolgt von der Neutralisierung und der Lösungsmittelextraktion. Die Ansäuerung ist eine häufig angewandte Technik, um Verunreinigungen wie Katalysatoren in anorganische Salze zu neutralisieren. Neben der Ansäuerung ist sie auch in der Lage, die Menge an Seifen zu reduzieren, indem sie in unlösliche freie Fettsäuren umgewandelt werden, da diese die Trennung beeinträchtigen und Ausbeuteverluste verursachen können (Hajek und Skopal, 2010; Kovács et al., 2012). Da bei der Ansäuerung nicht alle Verunreinigungen entfernt werden können, ist ein weiterer Reinigungsschritt erforderlich, um andere Verunreinigungen wie Methanol, Öl, Wasser und Ester zu entfernen. Das Destillationsverfahren hat jedoch einige Einschränkungen gegenüber anderen Verfahren, da es einen hohen Energieaufwand für die Verdampfung erfordert und thermische Zersetzungen verursacht (Lancrenon und Fedders, 2008). Außerdem ist bei der Destillation ein hohes Vakuum erforderlich, um eine Denaturierung des Glycerins bei hohen Temperaturen durch Acroleinbildung zu verhindern (Manosak et al., 2011). Außerdem ist dieses Verfahren mit hohen Investitions- und Wartungskosten verbunden, die mit erheblichen Glycerinverlusten einhergehen (Sdrula, 2010). Im Vergleich zum Destillationsverfahren findet das Ionenaustauschverfahren aufgrund der einfachen Bedienung, des geringen Stromverbrauchs und Energiebedarfs sowie der Tatsache, dass es sich auch als effizient bei der Entfernung von Spuren von Verunreinigungen, Farbe und Geruch erwiesen hat, breite Akzeptanz (Carmona et al., 2009, 2012). Außerdem schlugen Xiao et al. (2013) vor, dass der mehrstufige Reinigungsprozess des Rohglycerins die Reinheit erhöhen könnte, um es für verschiedene Verwendungszwecke nutzbar zu machen (Xiao et al., 2013).

Diese Studie zielt darauf ab, mit Hilfe der Taguchi-Methode Rohglycerin mit der höchsten Reinheit durch zweistufige Reinigung unter Verwendung von Säuerungs- und Ionenaustauschverfahren zu erhalten. In dieser Studie wurden statistische Analysen, einschließlich eines orthogonalen L9-Arrays von Taguchi, Signal-Rausch-Verhältnis, Mittelwertanalyse, Varianzanalyse und Regressionsanalysen verwendet, um die optimalen Bedingungen für die Reinigungsprozesse zu ermitteln.

Materialien, Chemikalien und Methoden

Materialien

Das Rohglycerin wurde von einer lokalen Biodieselanlage in Malaysia gesammelt. Ein starkes Kationenaustauscherharz H+, Amberlyst 15, wurde von Sigma Aldrich Sdn. Bhd gekauft. Die Eigenschaften des Harzes sind in Tabelle 1 aufgeführt. Phosphorsäure (85 Gew.-%), Natriumhydroxid-Pellets und Methanol wurden von Merck Sdn. Bhd. bezogen. Für die Herstellung der chemischen Lösungen wurde destilliertes Wasser verwendet.

Glycerin-Reinigungsverfahren

Erster Schritt: Ansäuerung

Das Rohglycerin wurde nach dem von Manosak et al. (2011) übernommenen Verfahren vorbehandelt. Die Versuche wurden in 500-ml-Erlenmeyerkolben durchgeführt und mit einem Magnetrührer äquilibriert. Zunächst wurde das Rohglycerin mit Phosphorsäure auf den gewünschten pH-Wert angesäuert und dann 1 Stunde lang mit einer konstanten Geschwindigkeit von 200 U/min gerührt. Sie trennte sich in drei Schichten, und zwar in eine freie Fettsäure-, eine Glycerin- und eine anorganische Salzschicht. Die erste Schicht, die reich an Fettsäure ist, wurde durch Dekantieren abgetrennt, und das ausgefällte Salz wurde durch Filtrieren mit einem 0,45-μm-Filter entfernt. Die mittlere Schicht, die reich an Glycerin ist, wurde durch Zugabe von NaOH neutralisiert (pH 7). Die anorganischen und Fettsäuresalze, die sich in der Neutralisationsphase bildeten, wurden durch 0,45-μm-Filter entfernt. Als Eingangsparameter für diesen Entwurf wurden pH-Wert, Temperatur und Reaktionszeit gewählt, die als Parameter A, B bzw. C bezeichnet wurden (Tabelle 2). Das orthogonale Array L9 wurde zur Planung der Experimente in dieser Arbeit verwendet (Tabelle 3).

Zweiter Schritt: Ionenaustausch

Im Ionenaustauschverfahren wurde das vorbehandelte Glycerin aus dem Versäuerungsprozess mit optimierten Betriebsbedingungen verwendet. Die Ionenaustauscherharze wurden untersucht, indem der Feed durch eine 300-ml-Säule mit Harzträger in einem Glasrohr geleitet wurde. Für die Entfernung der freien Ionen wurden Ionenaustauscherharze des Typs Amberlyst 15 Wasserstoffform verwendet. Das Harz wurde zuvor mit Methanol (25 Gew.-%) in einem Glasgefäß gequollen und in die Säule gepackt. Außerdem wurden Siliziumdioxidkügelchen in die Säule gepackt, um überschüssigen Feuchtigkeitsgehalt zu entfernen. Die Ionenaustauscherharze wurden verwendet, um die freien Anionen und Kationen im vorbehandelten Glycerin zu adsorbieren. Das vorbehandelte Glycerin wurde dann in den Einspeisetank gegeben, und eine Pumpe wurde verwendet, um das Rohglycerin bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen durch das Ionenaustauscherharzbett zirkulieren zu lassen. Die Temperatur des Festbettexperiments wurde auf Raumtemperatur (22°C) eingestellt. Dann wurde die Probe in den Rotationsverdampfer gegeben, um das Methanol zu entfernen. Die Abwässer wurden gesammelt und analysiert. Als Eingangsparameter wurden die Menge des Harzes, die Durchflussmenge und die Menge der Lösungsmittel gewählt. Es wurde ein standardmäßiges orthogonales L9-Array (OA) ausgewählt, und es wurden neun experimentelle Studien zur Optimierung des Prozesses durchgeführt. Die orthogonale Anordnung L9 dient dazu, die Wirkung unabhängiger Faktoren mit jeweils 3 Faktorwerten zu verstehen. Die Taguchi-Versuchsplanung schlägt ein orthogonales L9-Array vor, bei dem neun Versuche ausreichen, um die Parameter zu optimieren. Jeder Parameter auf drei Ebenen für diese Studie ist in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 5 zeigt die Versuchsdurchläufe mit verschiedenen Kombinationen von Parametern auf verschiedenen Ebenen.

Analytische Methoden

Agilent 6890 Gaschromatographie (GC) mit einem Flammenionisationsdetektor (FID) wurde verwendet, um die Konzentration von Glycerin unter den folgenden Bedingungen zu bestimmen: (i) Kapillarsäule (DB 5HT), 0,32 mm Innendurchmesser, 15 m Länge mit 0,1 μm Flüssigkeitsfilm, (ii) Trägergas Helium bei 1,0 mL/min, (iii) Injektortemperatur 200°C und (iv) Gesamtlaufzeit von 5 min. Der Wassergehalt von Glycerin wurde mit einem Karl-Fischer-Titrator gemessen. Zur Berechnung des Aschegehalts wurde die Standardmethode (ISO 2098-1972) verwendet. Das organische Nicht-Glycerin (MONG) des Glycerins wurde durch Subtraktion der Summe der Gehalte an Glycerin, Asche und Wasser auf der Grundlage der Standardmethode (ISO 2464-1973) gemessen. Die Bestimmung des pH-Wertes für das rohe und gereinigte Glycerin wurde mit einem pH-Meter (Cyberscan pH 300, 19 Eutectic Instruments) durchgeführt.

Versuchsplanung mit der Taguchi-Methode

In dieser Studie wurde die Taguchi-Methode zur Planung und Optimierung des zweistufigen Reinigungsprozesses für rohes Glycerin verwendet. Das Softwarepaket Minitab 16 wurde zur Unterstützung der Versuchsplanung und der statistischen Analyse zur Bestimmung der optimalen Betriebsbedingungen verwendet. In dieser Studie wurde der Glyceringehalt (Gew.-%) als Parameter verwendet, um die Wirksamkeit des Säuerungsprozesses unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten. Die für jedes Experiment in OA erhaltenen Daten wurden mit Hilfe des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N-Verhältnis) analysiert, um die Auswirkungen der Einflussfaktoren zu untersuchen und die optimale Konfiguration der im Versuchsplan festgelegten Parameter zu bestimmen. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann nach verschiedenen Kriterien optimiert werden, z. B. nach dem Kriterium „je größer, desto besser“, „je kleiner, desto besser“ oder „je kleiner, desto besser“.

In dieser Studie wurde das Kriterium „je größer, desto besser“ verwendet, um die experimentelle Reaktion bei der Reinigung von Glycerin zu bewerten. Das S/N-Verhältnis wurde unter Verwendung von Gleichung (1) (Park, 1996; Sharma et al., 2005) berechnet:

wobei „n“ die Gesamtzahl der Wiederholungen jedes Testlaufs und Yi die Glycerinreinheit im Wiederholungsexperiment „i“ darstellt, das unter den gleichen experimentellen Bedingungen jedes Testlaufs durchgeführt wurde. Das S/N-Verhältnis wurde für jeden Versuch berechnet. Die signifikanten Parameter wurden auf der Grundlage des S/N-Verhältnisses der Glycerinreinheit identifiziert.

Mittelwertanalyse

In dieser Studie wurde die Mittelwertanalyse (ANOM) verwendet, um die optimalen Betriebsbedingungen für den Säuerungsprozess zu bestimmen (Chary und Dastidar, 2012). Der Mittelwert des S/N-Verhältnisses zeigt die Auswirkung der einzelnen Parameter unabhängig voneinander. Der Mittelwert des S/N-Verhältnisses wurde berechnet, indem der Wert des S/N-Verhältnisses aller Experimente gemittelt wurde.

Der Mittelwert des S/N-Verhältnisses eines einzelnen Parameters „F“ auf der Ebene „I“ wurde anhand von Gleichung (2) berechnet:

Wobei nFi die Anzahl des Auftretens des Parameters „F“ auf Ebene „i“ ist und j das S/N-Verhältnis des Parameters „F“ auf Ebene „i“ in seinem j-ten Wert darstellt (wobei j = 1,2,3…, n).

Varianzanalyse

Die Varianzanalyse (ANOVA) wurde durchgeführt, um die Auswirkungen der verschiedenen Parameter auf die Leistung des Prozesses statistisch zu bewerten. Die ANOVA wurde durch Berechnung der Summe der Quadrate (SS), der Varianz (V), der Freiheitsgrade (DOF), des Varianzverhältnisses (F-Faktor) und des prozentualen Beitrags (ρF) durchgeführt. Bei der ANOVA wurde die Signifikanz aller Parameter und der Wechselwirkung zwischen den Parametern anhand der unten aufgeführten Gleichungen untersucht. Nach der Taguchi-Methode wurde der prozentuale Beitrag aller untersuchten Parameter verwendet, um den Einfluss der einzelnen Parameter auf den Versauerungsprozess zu bewerten und zu untersuchen, welche Parameter die Prozessreaktion durch die ANOVA-Analyse signifikant beeinflussen (Roy, 2001). Der prozentuale Beitrag jedes Parameters, ρF, wurde anhand der folgenden Gleichung berechnet:

In Gleichung (3) ist Ve die Varianz aufgrund von Fehlern, DOFF ist der Freiheitsgrad des untersuchten Parameters und kann durch Subtraktion von 1 von der Anzahl der Stufen des Parameters (L) berechnet werden.

Die Summe der Quadrate aufgrund des Faktors, SSF, wurde mit Hilfe von Gleichung (4) berechnet:

Wobei ηt = die Summe des S/N-Verhältnisses jedes Parameters im i-ten Level, ηi das S/N-Verhältnis der experimentellen Ergebnisse und m die Wiederholungszahl jedes Levels des Parameters ist.

Der SST in Gleichung (3) wurde anhand von Gleichung (5) berechnet. SST ist die Summe der Summenquadrate, N ist die Anzahl aller Beobachtungen,

Die Summe der Fehlerquadrate, SSe, wurde mit Gleichung (6) berechnet:

Die Varianz des Parameters, Vp, wurde durch Gleichung (7) berechnet:

Das Fisher-Verhältnis (F), das die Aussagekraft eines Parameters bestimmt, wurde durch Gleichung (8) berechnet:

Bestätigungsversuche

Bestätigungsversuche wurden durchgeführt, um die durch die ANOM- und ANOVA-Analyse vorgeschlagenen optimalen Bedingungen zu überprüfen. Die vorhergesagte Glycerinreinheit und das S/N-Verhältnis wurden unter Verwendung von Gleichung (9) berechnet:

wobei Ym = Der Gesamtmittelwert des S/N-Verhältnisses, Yi¯ = S/N-Verhältnis auf dem optimalen Niveau und k = Anzahl der Parameter.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Rohglycerin

Das Rohglycerin war eine dunkelbraune Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 9,6. Es hat einen höheren pH-Wert als handelsübliches Glycerin. Das Rohglycerin enthält eine geringe Menge Glycerin (46,8 Gew.-%), aber einen hohen Asche-, Wasser- und MONG-Gehalt, wie aus Tabelle 6 ersichtlich ist. Es zeigt sich, dass die Hauptverunreinigung im Rohglycerin der MONG-Gehalt (50,4 Gew.-%) ist. Der MONG-Gehalt setzt sich aus Verunreinigungen wie Seife, Alkohol und Methylester im Glycerin aus den Biodiesel-Verarbeitungsschritten zusammen (Kongjao et al., 2010). Die gebildeten freien Fettsäuren werden als lösliche Seife freigesetzt. Außerdem werden die Methylester während des Phasentrennungsprozesses in der Glycerinphase suspendiert (Kongjao et al., 2010). Diese organischen Verbindungen reagieren möglicherweise auch mit dem überschüssigen alkalischen Katalysator wie NaOH oder KOH, der in der Glycerinlösung verbleibt, um Seife zu bilden. Der Aschegehalt (4,7 Gew.-%) setzt sich aus anorganischen Stoffen zusammen, die bei der Verwendung von alkalischen Katalysatoren wie NaOH und KOH während des Umesterungsprozesses entstehen. Der Wassergehalt von 9,3 Gew.-% in der Rohglycerinprobe ist möglicherweise auf die hygroskopische Natur des Glycerins zurückzuführen, das während des Umesterungsprozesses Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnimmt.

Versäuerung

Die Taguchi-Methode wurde verwendet, um die Auswirkungen der Parameter auf die Leistung des Versäuerungsprozesses zu untersuchen und die optimalen Betriebsbedingungen zu ermitteln. Für die Versuchsplanung wurden drei kontrollierbare Parameter (pH-Wert, Temperatur und Reaktionszeit) verwendet, wobei jeder Parameter in drei verschiedenen Stufen eingestellt wurde. Auf der Grundlage der gewählten Parameter, Stufen und Freiheitsgrade wurde ein Standard-L9-OA gewählt. Auf der Grundlage der Taguchi-Methode wurden die Versuchsergebnisse in Form des S/N-Verhältnisses berechnet und anschließend interpretiert. Das S/N-Verhältnis misst die Abweichungen der Qualitätsmerkmale vom gewünschten Wert und berechnet die optimalen Bedingungen (Karabas, 2013). Das Ziel dieser Studie ist es, die Reinheit des Glycerins zu maximieren. Daher sind höhere Qualitätsmerkmale eher erwünscht. Gleichung (1) wurde verwendet, um das S/N-Verhältnis zu bestimmen. Die S/N-Verhältnisse jedes Versuchslaufs wurden durch Einsetzen der Werte der Glycerinreinheit und mehrerer Wiederholungen jedes Versuchslaufs „n“ in Gleichung (1) ermittelt.

Optimale Bedingungen durch ANOM-Ansatz

ANOM wird verwendet, um die Auswirkungen auf die einzelnen Parameter zu ermitteln und die optimalen Bedingungen für den Säuerungsprozess zu bestimmen (Chary und Dastidar, 2012). Diese Analyse wurde durch Mittelung aller S/N-Verhältnisse des jeweiligen Parameters, der in den Experimenten verwendet wurde, durchgeführt. Gleichung (2) wurde angewendet, um den Mittelwert des S/N-Verhältnisses zu berechnen, und die für jedes Experiment erhaltenen Werte sind in Tabelle 7 aufgeführt. Die optimalen Betriebsbedingungen wurden auf der Grundlage des maximalen S/N-Verhältnisses bei einem bestimmten Wert ermittelt. Ein höherer Mittelwert des S/N-Verhältnisses zeigt an, dass der Parameter einen stärkeren Einfluss auf den Versauerungsprozess hat. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, wurden die optimalen Betriebsbedingungen für die Durchführung der Ansäuerung zur Erzielung der maximalen Glycerinreinheit wie folgt ermittelt: pH-Wert auf Stufe 2 (2), Reaktionstemperatur auf Stufe 3 (70°C) und Reaktionszeit auf Stufe 2 (40 min). Die aus ANOM erhaltenen Ergebnisse wurden durch ANOVA weiter verifiziert.

Auswirkung der Parameter auf die Versauerung

Der Mittelwert des S/N-Verhältnisses spiegelt den Einfluss der Parameter auf den Versauerungsprozess wider. Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, ist der pH-Wert der wichtigste Parameter, der den Säuerungsprozess und die Qualität des Produkts beeinflusst, gefolgt von der Temperatur und der Reaktionszeit. Dies zeigt, dass der pH-Wert einen entscheidenden Einfluss auf den Säuerungsprozess und die Qualität des erhaltenen Produkts hat. Die Signifikanz der Parameter wurde auch quantitativ aus ANOM ermittelt. Sie wurde berechnet, indem die Abweichung des höchsten Wertes vom niedrigsten Wert ermittelt wurde. Der höchste Rang wurde dem Parameter mit der größten Abweichung zugewiesen. Eine große Abweichung deutet auf einen signifikanten Beitrag und Einfluss des jeweiligen Parameters auf die Leistung des Säuerungsprozesses hin. Wie aus Tabelle 7 hervorgeht, war der pH-Wert der signifikanteste Parameter mit einer Abweichung von 2,32 und die Reaktionszeit der am wenigsten signifikante Parameter mit einer Abweichung von 0,41.

Prozentualer Beitrag der Parameter durch ANOVA

Nach der Taguchi-Methode wurde der prozentuale Beitrag jedes Parameters bewertet, um die Wirkung des Parameters auf die Versäuerung in Bezug auf die Glycerinreinheit genau zu quantifizieren (Roy, 2001). Die Ergebnisse der ANOVA-Analyse und die prozentualen Beiträge der einzelnen Parameter sind in Tabelle 8 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass der pH-Wert mit einem prozentualen Anteil von 76,37 % einen dominierenden Einfluss auf den Säuerungsprozess hat. Der Beitrag der Parameter wurde in der folgenden Reihenfolge festgestellt: pH-Wert (76,37 %) > Temperatur (19,44 %) > Reaktionszeit (2,72 %). Dieses Ergebnis stimmt mit den Ergebnissen der ANOM-Analyse überein.

Bestätigungsversuche

Der Bestätigungsversuch ist ein wichtiger Schritt in der Taguchi-Planungsmethode. Dieser Schritt muss am Ende der Optimierungsstudie durchgeführt werden, um zu überprüfen, ob die optimierten Betriebsbedingungen, die mit Hilfe von ANOM ermittelt wurden, das gewünschte experimentelle Ergebnis liefern. Die Kombination der ermittelten optimalen Betriebsbedingungen war in den neun Versuchsläufen der orthogonalen Anordnung nicht enthalten. Daher wurde ein Bestätigungsexperiment für den Säuerungsprozess unter Verwendung der optimierten Werte der einzelnen Parameter durchgeführt und das S/N-Verhältnis berechnet. Die Reinheit des Glycerins wurde anhand von Gleichung (9) geschätzt, und der Vergleich zwischen der tatsächlichen und der vorhergesagten Reinheit des Glycerins ist in Tabelle 9 dargestellt. Wie aus Tabelle 9 ersichtlich ist, stimmt das S/N-Verhältnis aus dem Bestätigungsversuch gut mit den vorhergesagten Werten überein. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Optimierung des Versäuerungsprozesses zur Gewinnung von Glycerin höchster Reinheit erfolgreich war.

Ionenaustausch

Drei steuerbare Parameter (Harzmenge, Lösungsmittelmenge und Durchflussrate) mit jedem Parameter auf drei verschiedenen Ebenen wurden unter Verwendung des Taguchi-Versuchsplans mit orthogonalen Anordnungen optimiert. Auf der Grundlage der ermittelten Anzahl von Parametern, mehrerer Ebenen und der Freiheitsgrade wurde in der vorliegenden Studie ein Standard-L9-OA ausgewählt. Insgesamt wurden siebenundzwanzig Versuchsläufe auf der Grundlage des L9 OA mit drei Wiederholungen durchgeführt. Für jeden Versuchsdurchlauf wurde die Reaktion des Prozesses in Bezug auf die Glycerinreinheit (Gew.-%) bestimmt und mit Hilfe des statistischen Ansatzes weiter analysiert. Die gesammelten Daten zur Glycerinreinheit sind in Tabelle 5 dargestellt. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Glycerinreinheit (Gew.-%) der Versuche zwischen 87,04 und 97,87 Gew.-% liegt. Dies deutet darauf hin, dass der Ionenaustauschprozess von allen kontrollierbaren Parametern (Harzmenge, Lösungsmittelmenge und Durchflussrate) abhängt, was auch durch die statistische Analyse bestätigt wurde. Die Ergebnisse der Experimente wurden in das S/N-Verhältnis umgerechnet. Ziel dieser Studie ist es, die Reinheit des im Ionenaustauschverfahren gewonnenen Glycerins zu maximieren. Daher werden für die Berechnung des S/N-Verhältnisses höhere Qualitätsmerkmale verwendet.

Optimale Bedingungen nach dem ANOM-Ansatz

Die für das Experiment ermittelten Mittelwerte des S/N-Verhältnisses sind in Tabelle 10 dargestellt. Die optimalen Betriebsbedingungen wurden auf der Grundlage des Maximalwerts des S/N-Verhältnisses bei einer bestimmten Höhe eines Parameters ausgewählt. Eine stärkere Auswirkung auf den Ionenaustauschprozess wird durch einen höheren Mittelwert des S/N-Verhältnisses angezeigt. Daher wurden die optimalen Betriebsbedingungen für die Parameter auf dem Niveau mit dem größten Mittelwert des S/N-Verhältnisses ermittelt. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurden die optimalen Betriebsbedingungen für den Ionenaustauschprozess zur Erzielung der maximalen Glycerinreinheit wie folgt ermittelt: die Harzmenge auf Stufe 3 (40 g), die Durchflussrate auf Stufe 1 (15 mL/min) und die Lösungsmittelmenge auf Stufe 3 (60 %). Die aus ANOM erhaltenen Ergebnisse wurden durch ANOVA weiter verifiziert.

Auswirkung der Parameter auf den Ionenaustausch

Der Bereich des Mittelwerts des S/N-Verhältnisses spiegelt die Einflussstufe der Parameter auf den Ionenaustauschprozess wider. Wie in Abbildung 2 dargestellt, war die Durchflussrate der wichtigste Parameter, der den Ionenaustauschprozess und die Produktqualität beeinflusste, gefolgt von der Harzmenge und der Lösungsmittelmenge. Die Bedeutung dieser Parameter wurde auch quantitativ aus ANOM ermittelt. Sie wurde ermittelt, indem die Abweichung des höchsten Wertes vom niedrigsten Wert berechnet wurde. Der höchste Rang wurde dem Parameter mit der größten Abweichung zugewiesen. Eine erhebliche Abweichung deutet auf einen signifikanten Beitrag und eine signifikante Auswirkung dieses bestimmten Parameters auf die Leistung des Ionenaustauschprozesses hin. Wie aus Tabelle 10 hervorgeht, war die Durchflussrate der Parameter, der den größten Beitrag leistete, während die Lösungsmittelmenge den geringsten Beitrag leistete.

Prozentualer Beitrag der Parameter durch ANOVA

Die Ergebnisse der ANOVA zur Glycerinreinheit und der prozentuale Beitrag der einzelnen Parameter sind in Tabelle 11 dargestellt. Aus dem Ergebnis geht hervor, dass die Durchflussrate mit einem prozentualen Beitrag von 51,02 % einen dominanten Einfluss auf den Ionenaustauschprozess hat. Der Beitrag der Parameter in aufsteigender Reihenfolge wie folgt: Durchfluss (51,02%) > Harzmenge (28,42%) > Lösungsmittelmenge (12,33%). Die experimentellen Ergebnisse stimmten gut mit den Ergebnissen der ANOM-Analyse überein.

Bestätigungsexperiment

Das Modell sagte 96,91 % der Glycerinreinheit und ein S/N-Verhältnis von 39,72 unter den optimalen Bedingungen von 60 % des Lösungsmittels, der Durchflussrate von 15 ml/min und 40 g Harz voraus. Die experimentell ermittelten Werte wurden mit den durch das Modell vorhergesagten Werten verglichen, um die Gültigkeit des Optimierungsverfahrens unter den festgelegten Betriebsbedingungen zu bestätigen. Das Ergebnis zeigt, dass mit den optimierten Betriebsbedingungen eine maximale Reinheit des Glycerins (98,2 %) und ein S/N-Verhältnis von 39,78 erreicht wurde. Die Ergebnisse der Bestätigungsexperimente zeigten, dass der tatsächliche experimentelle Wert und das S/N-Verhältnis gut mit den vorhergesagten Werten übereinstimmten. Daher kann der Schluss gezogen werden, dass die Optimierung des Ionenaustauschverfahrens zur Verbesserung der Glycerinreinheit erfolgreich war.

Vergleich der Charakteristik des gereinigten Glycerins mit anderen Arbeiten

Das in dieser Arbeit erzielte Ergebnis wurde mit früheren Studien verglichen und in Tabelle 12 dargestellt. Die Vergleichstabelle zeigt, dass die in dieser Arbeit angewandte zweistufige Reinigungsmethode, die aus Säuerung und Ionenaustausch besteht, erfolgreich Glycerin mit einer höheren Reinheit im Vergleich zu anderen Arbeiten produziert. Der prozentuale Anteil des gereinigten Rohglycerins aus dieser Studie betrug 98 %. Saifuddin et al. (2013) erzielten eine geringere Ausbeute an Glycerin mit einer Reinheit von 93,1-94,2 %, indem sie sowohl die Säuerung als auch die Adsorptionsbehandlung einsetzten, verglichen mit dieser Arbeit. Außerdem waren unsere zweistufigen Reinigungstechniken effektiver und besser als die chemische und physikalische Behandlung von Manosak et al. (2011) und Kongjao et al. (2010) in Bezug auf die Reinheit des Glycerins.

Schlussfolgerung

Das Ziel dieser Arbeit ist es, hochreines Glycerin durch einen zweistufigen Reinigungsprozess mit Hilfe des Taguchi-Optimierungswerkzeugs zu erhalten. Der Säuerungsprozess und der anschließende Ionenaustausch haben Glycerin mit einer Reinheit von 98,20 Gew.-% ergeben. Bei den optimierten Bedingungen pH-Wert (2), Temperatur (70 °C) und Reaktionszeit (40 Minuten) wurde mit dem Ansäuerungsprozess Glycerin mit einer Reinheit von 76,18 Gew.-% gewonnen. Im Ionenaustauschverfahren wurde das vorbehandelte Glycerin verwendet, das aus dem Versäuerungsverfahren mit optimierten Betriebsbedingungen gewonnen wurde. Mit dem Ionenaustauschverfahren wurde Glycerin mit einer Reinheit von 98,20 Gew.-% unter den optimierten Bedingungen von 60 % des Lösungsmittels, einer Durchflussrate von 15 ml/min und 40 g Harz gewonnen. Die mit der Taguchi-Methode vorhergesagten Werte wurden mit den tatsächlichen Versuchsergebnissen verglichen, und es zeigte sich, dass das tatsächliche Ergebnis gut mit dem vorhergesagten Ergebnis übereinstimmt. Dies zeigt, dass die Taguchi-Methode erfolgreich zur Optimierung des zweistufigen Verfahrens zur Reinigung von aus Biodiesel gewonnenem Rohglycerin eingesetzt wurde. Diese Studie zeigt eine Verbesserung der Glycerinreinheit von 35,60 auf 98,20 Gew.-% nach der Optimierung der Säuerungs- und Ionenaustauschprozesse, wobei der Glyceringehalt in der nach BS 2621:1979 akzeptierten Menge liegt.

Beiträge der Autoren

HT: Planung der Arbeit, experimentelle Arbeiten, Analyse und Interpretation der Daten und Verfassen des Manuskripts. AA: Konzeption der Studie, Planung der Arbeit und Überarbeitung des Manuskripts. AB: Analyse und Interpretation der Daten und Verfassen des Manuskripts.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

Die Autoren sind dem Universiti Malaya Research Grant (UMRG) – Frontier Science (AFR) RG384-17AFR Research Fund der Universität Malaya für die finanzielle Unterstützung dieser Forschung dankbar.