Frontiers in Chemistry

Introduction

Biodiesel is een biologisch afbreekbare en hernieuwbare brandstof die wordt geproduceerd door transesterificatie uit hernieuwbare bronnen zoals soja, microalgen, palmkookolie, en jatropha (da Silva César et al., 2018; Corach et al., 2019). Recentelijk trekt biodiesel veel onderzoekers aan omdat het een van de meest onderzochte biobrandstoffen is die de wereldwijde afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en het broeikaseffect zou kunnen verminderen. De biodieselproductie zal naar schatting jaarlijks met 4,5% toenemen en in 2022 41 Mm3 bereiken (Monteiro et al., 2018).

Crude glycerol is het belangrijkste bijproduct dat wordt geproduceerd tijdens het transesterificatieproces in de biodieselfabriek, met de generatie van 10 wt.% van het biodieselproduct (Samul et al., 2014). Op basis van de analyse wordt ongeveer 1 kg ruwe glycerol gegenereerd bij elke 10 kg biodieselproductie (Hajek en Skopal, 2010; Tan et al., 2013; Chol et al., 2018). De huidige marktwaarde van zuivere glycerol is US$ 0,27-0,41 per pond; de ruwe glycerol met 80% zuiverheid is echter zo laag als US$ 0,04-0,09 per pond. Dit bewijst dat overmatig geproduceerde glycerol de prijs van glycerol op de markt beïnvloedt. Daarom is het gebruik van ruwe glycerol voor producten met toegevoegde waarde een serieuze zaak geworden in de biodieselindustrie.

Glycerol met een hoge zuiverheid heeft een brede toepassing in verschillende industrieën zoals de farmaceutische, cosmetische en voedingsmiddelenindustrie. Het zuiverheidspercentage van de glycerol uit de biodieselindustrie beperkt echter de omzetting naar een hoog gewaardeerd product (Samul et al., 2014; Talebian-Kiakalaieh et al., 2018). De ruwe glycerol bevat een groot aantal verontreinigingen zoals zeep, zouten, ethanol, methanol, water, vetzuur, methylesters, glyceriden, en as (Tan et al., 2013; Dhabhai et al., 2016). Yang et al. (2012) stelden dat de onzuiverheden in de ruwe glycerol de omzetting ervan in andere producten met toegevoegde waarde sterk kunnen beïnvloeden (Yang et al., 2012). Venkataramanan et al. (2012) meldden ook dat zepen in de ruwe glycerol een sterk remmend effect hebben op het gebruik van de glycerol door bacteriën, wat de prestaties van ruwe glycerol als de koolstofbron in het fermentatieproces beïnvloedt (Venkataramanan et al., 2012). De conclusie is dat de onzuiverheden die aanwezig zijn in de ruwe glycerol een aanzienlijke uitdaging vormen om ze om te zetten in een product met toegevoegde waarde. Daarom is het belangrijk om ruwe glycerol te zuiveren om marktverzadiging te voorkomen en de winst van biodieselproductie te verhogen.

In de literatuur zijn de meest gebruikte processen destillatie, ionenuitwisselingshars, membraanscheidingstechnologie, aanzuring, gevolgd door neutralisatie en solventextractie. Aanzuring is een veel gebruikte techniek om de onzuiverheden zoals katalysator te neutraliseren tot anorganisch zout. Naast aanzuring is het ook mogelijk om de hoeveelheid zepen te verminderen door ze om te zetten in onoplosbaar vrij vetzuur, aangezien die de scheiding nadelig kunnen beïnvloeden en opbrengstverlies kunnen veroorzaken (Hajek en Skopal, 2010; Kovács et al., 2012). Aangezien het aanzuringsproces niet alle onzuiverheden verwijdert, is een verdere zuiveringsstap nodig om andere onzuiverheden zoals methanol, olie, water en ester te verwijderen. Het distillatieproces heeft echter enkele beperkingen ten opzichte van andere processen, aangezien het een hoge energie-input vereist voor de verdamping en thermische ontledingen veroorzaakt (Lancrenon en Fedders, 2008). Bovendien is bij destillatie een hoog vacuüm vereist om denaturatie van glycerol bij hoge temperatuur door acroleïnevorming te voorkomen (Manosak et al., 2011). Bovendien brengt dit proces hoge kapitaalinvesteringen en onderhoudskosten met zich mee, die gepaard gaan met aanzienlijke verliezen van glycerol (Sdrula, 2010). In vergelijking met het distillatieproces wordt het ionenuitwisselingsproces steeds meer aanvaard wegens de eenvoudige werking, het lage stroomverbruik en energievereiste, en het feit dat het ook efficiënt is gebleken in het verwijderen van sporen van onzuiverheden, kleur en geur (Carmona et al., 2009, 2012). Bovendien suggereerden Xiao et al. (2013) dat het meerstaps zuiveringsproces van de ruwe glycerol de zuiverheid zou kunnen verhogen waardoor het levensvatbaar wordt voor verschillende toepassingen (Xiao et al., 2013).

Deze studie is gericht op het verkrijgen van ruwe glycerol met de hoogste zuiverheid via tweestaps zuivering met behulp van aanzuring en ionenuitwisselingstechnieken, met behulp van de Taguchi methode. In deze studie werden statistische analyses, waaronder een L9 orthogonale array van Taguchi, signaal-ruisverhouding, analyse van gemiddelde, analyse van variantie, en regressieanalyses gebruikt om de optimale voorwaarden van de zuiveringsprocessen te identificeren.

Materialen, chemicaliën, en methoden

Materialen

De ruwe glycerol werd verzameld bij een lokale biodieselfabriek, in Maleisië. Een sterk kationenuitwisselingshars H+, Amberlyst 15, werd gekocht bij Sigma Aldrich Sdn. Bhd. De eigenschappen van de hars zijn vermeld in tabel 1. Fosforzuur (85 gewichtsprocent), natriumhydroxidepellets en methanol werden gekocht bij Merck Sdn. Bhd. Gedestilleerd water werd gebruikt voor de bereiding van chemische oplossingen.

Glycerolzuiveringsproces

Eerste stap: Aanzuring

De ruwe glycerol werd voorbehandeld op basis van de procedure die werd overgenomen van Manosak et al. (2011). De experimenten werden uitgevoerd in erlenmeyers van 500 ml en geëquilibreerd met behulp van een magneetroerder. Aanvankelijk werd de ruwe glycerol aangezuurd met fosforzuur tot de gewenste pH-waarde en vervolgens gedurende 1 uur geroerd bij een constante snelheid van 200 omwentelingen per minuut. De oplossing werd gescheiden in drie lagen, respectievelijk een vrije vetzuurlaag, een glycerollaag en een anorganische zoutlaag. De eerste laag, die rijk is aan vetzuur, werd afgescheiden door decanteren, en het neergeslagen zout werd verwijderd door filtreren met een 0,45 μm filter. De middelste laag, die rijk is aan glycerol, werd geneutraliseerd (pH 7) door toevoeging van NaOH. De anorganische zouten en vetzuren die zich in de neutralisatiefase vormden, werden verwijderd met een 0,45 μm filter. De voor dit ontwerp geselecteerde invoerparameters waren pH, temperatuur en reactietijd, die respectievelijk werden aangeduid als parameters A, B en C (tabel 2). De L9 orthogonale array werd gebruikt om de experimenten in dit werk te ontwerpen (tabel 3).

Tweede stap: Ionenwisseling

In het ionenwisselingsproces werd de voorbehandelde glycerol gebruikt die was verkregen uit het aanzuringsproces met geoptimaliseerde bedrijfsomstandigheden. De ionenwisselingsharsen werden onderzocht door het voer door een 300 ml-kolom met hars in een glazen buis te laten lopen. Voor de verwijdering van vrije ionen werd gebruik gemaakt van ionenwisselaarshars van het type Amberlyst 15 in waterstofvorm. Het hars werd vooraf in een glazen vat gezwollen met methanol (25 wt.%) en in de kolom ingepakt. Bovendien werden silicakorrels in de kolom aangebracht om overtollig vocht te verwijderen. De ionenwisselende harsen werden gebruikt om de vrije anionen en kationen in het voorbehandelde glycerol te adsorberen. De voorbehandelde glycerol werd vervolgens in de voedingstank geladen, waarna een pomp werd gebruikt om de ruwe glycerol onder de vooraf bepaalde bedrijfsomstandigheden door het ionenwisselaarsharsbed te laten circuleren. De temperatuur van het vastbedexperiment werd ingesteld op kamertemperatuur (22°C). Vervolgens werd het monster in de rotatieverdamper gebracht voor de verwijdering van methanol. De effluenten werden verzameld en geanalyseerd. De inputparameters voor dit ontwerp waren de hoeveelheid hars, de stroomsnelheid en de hoeveelheid oplosmiddelen. Er werd een standaard L9 orthogonale array (OA) geselecteerd en er werden negen experimentele studies uitgevoerd om het proces te optimaliseren. De L9 orthogonale array is bedoeld om inzicht te krijgen in het effect van onafhankelijke factoren, elk met 3-factor niveauwaarden. Taguchi’s experimenteel ontwerp van experimenten suggereert L9 orthogonale array, waarbij negen experimenten voldoende zijn om de parameters te optimaliseren. Elke parameter op drie niveaus voor deze studie is weergegeven in Tabel 4. Tabel 5 toont de experimentele runs met verschillende combinaties van parameters op verschillende niveaus.

Analytische methoden

Agilent 6890 gaschromatografie (GC) verbonden met een vlamionisatiedetector (FID) werd gebruikt om de concentratie van glycerol te identificeren onder de volgende omstandigheden: (i) capillaire kolom (DB 5HT), 0,32 mm binnendiameter, 15 m lengte met 0,1 μm vloeibare film, (ii) draaggas helium bij 1,0 mL/min, en (iii) injectortemperatuur 200°C, en (iv) totale run time van 5 min. Het watergehalte van glycerol werd gemeten met behulp van een Karl Fisher titrator. De standaardmethode (ISO 2098-1972) werd gebruikt om het asgehalte te berekenen. Het gehalte aan organische non-glycerol (MONG) van glycerol werd gemeten door de som van de gehalten aan glycerol, as en water af te trekken volgens de standaardmethode (ISO 2464-1973). Bepalingen van de pH voor de ruwe en gezuiverde glycerol werd uitgevoerd met behulp van een pH-meter (Cyberscan pH 300, 19 Eutectic instrumenten).

Ontwerp van experimenten met behulp van de Taguchi-methode

In deze studie werd de Taguchi-methode gebruikt om het ruwe glycerol twee-staps zuiveringsproces te ontwerpen en te optimaliseren. Het softwarepakket Minitab 16 werd gebruikt om het ontwerp van experimenten en de statistische analyse te ondersteunen bij het bepalen van de optimale werkingsomstandigheden. In deze studie werd het glycerolgehalte (wt.%) gebruikt als parameter om de doeltreffendheid van het aanzuringsproces onder verschillende werkingsomstandigheden te evalueren. De gegevens verkregen voor elk experiment in OA werden geanalyseerd door signaal-ruisverhouding (S/N-verhouding) om de invloed van invloedrijke factoren te onderzoeken en de optimale configuratie van parameters binnen het experimenteel ontwerp te bepalen. De signaal-ruisverhouding kan worden geoptimaliseerd met behulp van verschillende criteria, waaronder de groter-de-beter, de kleiner-de-beter, of de nomina-de-beter.

In deze studie werd de groter-de-beter benadering gebruikt om de experimentele respons voor de zuivering van glycerol te evalueren. De signaal-ruisverhouding werd berekend met behulp van vergelijking (1) (Park, 1996; Sharma et al., 2005):

waarbij “n” het totale aantal herhalingen van elke proef vertegenwoordigt en Yi de glycerolzuiverheid in herhalingsproef “i” vertegenwoordigt, uitgevoerd onder dezelfde experimentele omstandigheden van elke proefafname. De signaal-ruisverhouding werd voor elk experiment berekend. De significante parameters werden geïdentificeerd op basis van de S/N-verhouding van de glycerolzuiverheid.

Gemiddelde-analyse

In deze studie werd Analyse van het gemiddelde (ANOM) gebruikt om de optimale bedrijfsvoorwaarde van het aanzuringsproces te bepalen (Chary en Dastidar, 2012). Het gemiddelde van de signaal-ruisverhouding toont het effect van elke parameter, onafhankelijk. Het gemiddelde van de signaal-ruisverhouding werd berekend door het gemiddelde te nemen van de waarde van de signaal-ruisverhouding van alle experimenten.

Het gemiddelde van de verhouding signaal/ruisverhouding van een afzonderlijke parameter “F” op niveau “I” werd berekend met behulp van vergelijking (2):

Waarbij nFi het aantal keren is dat parameter “F” op niveau “i” voorkomt en j de signaal-ruisverhouding van parameter “F” op niveau “i” in zijn j-de waarde weergeeft (waarbij j = 1,2,3…, n).

Analyse van de variantie

De analyse van de variantie (ANOVA) werd uitgevoerd om het effect van verschillende parameters op de prestaties van het proces statistisch te beoordelen. ANOVA werd uitgevoerd door berekening van de som van de kwadraten (SS), variantie (V), vrijheidsgraden (DOF), variantieverhouding (F-factor), en bijdragepercentage (ρF). In de ANOVA werd de significantie van alle parameters en van de interactie tussen de parameters onderzocht aan de hand van de onderstaande vergelijkingen. Volgens de methode van Taguchi werd de procentuele bijdrage van alle onderzochte parameters gebruikt om de invloed van elke parameter op het verzuringsproces te evalueren en om te onderzoeken welke parameters de procesrespons significant beïnvloedden via de ANOVA-analyse (Roy, 2001). De procentuele bijdrage van elke parameter, ρF, werd berekend met behulp van onderstaande vergelijking:

In vergelijking (3) is Ve de variantie ten gevolge van de fout, DOFF de vrijheidsgraad van de bestudeerde parameter, en deze kan worden berekend door één af te trekken van het aantal niveaus van de parameter (L).

De sommen van kwadraten als gevolg van factor, SSF werd berekend met behulp van vergelijking (4):

Waarbij, ηt = het totaal van de signaal-ruisverhouding van elke parameter in het i-de niveau, ηi is de signaal-ruisverhouding van de experimentele resultaten en m is het herhalend aantal van elk niveau van de parameter.

De SST in vergelijking (3) werd berekend met behulp van vergelijking (5). SST is het totaal van de somkwadraten, N is het aantal van alle waarnemingen,

De som van de kwadraten als gevolg van fouten, SSe, werd berekend met Vergelijking (6):

De variantie van de parameter, Vp, werd berekend met Vergelijking (7):

De Fisher-verhouding (F) die de betekenis van een parameter bepaalt, werd berekend door Vergelijking (8):

Bevestigingsexperimenten

Bevestigingstest werd uitgevoerd om de door ANOM- en ANOVA-analyse voorgestelde optimale omstandigheden te verifiëren. De voorspelde glycerolzuiverheid en signaal-ruisverhouding werden berekend met behulp van vergelijking (9):

waar Ym = Het totale gemiddelde van signaal-ruisverhouding, Yi¯ = signaal-ruisverhouding op het optimale niveau, en k = aantal parameters.

Resultaten en Discussie

Karakterisering van Ruwe glycerol

De ruwe glycerol was een donkerbruine vloeistof met een pH van 9,6. Het heeft een hogere pH vergeleken met commerciële glycerol. De ruwe glycerol bevat een kleine hoeveelheid glycerol (46,8 wt.%), maar een hoog as-, water- en MONG-gehalte, zoals blijkt uit tabel 6. Gebleken is dat de belangrijkste onzuiverheid in de ruwe glycerol het MONG-gehalte is (50,4 wt.%). Het MONG-gehalte bestaat uit onzuiverheden zoals zeep, alcohol en methylesters in het glycerol uit de biodieselverwerkingsstappen (Kongjao et al., 2010). De gevormde vrije vetzuren zullen vrijkomen als oplosbare zeep. Bovendien zullen de methylesters tijdens het fasescheidingsproces in de glycerolfase worden gesuspendeerd (Kongjao et al., 2010). Deze organische verbindingen kunnen ook reageren met de overmaat aan alkalische katalysator, zoals NaOH of KOH, die in de glyceroloplossing achterblijft om zeep te vormen. Het asgehalte (4,7 wt.%) bestaat uit anorganische stoffen die afkomstig zijn van het gebruik van alkali-katalysatoren zoals NaOH en KOH tijdens het transesterificatieproces. Het watergehalte van 9,3 wt.% in het ruwe glycerolmonster is wellicht het gevolg van de hygroscopische aard van glycerol, dat tijdens het transesterificatieproces vocht uit de omgeving absorbeert.

Acidification

Taguchi methode werd gebruikt om het effect van parameters op de prestaties van het aanzuringsproces te bestuderen en de optimale werkingsconditie te identificeren. Drie controleerbare parameters (pH, temperatuur, en reactietijd) met elke parameter op drie verschillende niveaus werden gebruikt om het experiment te ontwerpen. Op basis van de geselecteerde parameters, niveaus en vrijheidsgraden werd een standaard L9 OA gekozen. Op basis van de Taguchi-methode werden de resultaten van de experimenten berekend in de vorm van de S/N-verhouding en vervolgens geïnterpreteerd. De S/N-verhouding meet de afwijkingen van de kwaliteitskarakteristieken ten opzichte van de gewenste waarde en berekent de optimale omstandigheden (Karabas, 2013). Het doel van deze studie is de glycerolzuiverheid te maximaliseren. Hogere kwaliteitseigenschappen zijn dus beter gewenst. Vergelijking (1) werd gebruikt om de S/N-verhouding te bepalen. De S/N-verhouding van elke experimentele run werd verkregen door de waarden van de glycerolzuiverheid en meerdere herhalingen van elke experimentele run “n” in vergelijking (1) te substitueren.

Optimale Condities door ANOM-Aanpak

ANOM wordt gebruikt om het effect op de afzonderlijke parameters te identificeren en de optimale conditie voor het aanzuringsproces te bepalen (Chary en Dastidar, 2012). Deze analyse werd uitgevoerd door het gemiddelde te berekenen van alle signaal-ruisverhoudingen van die specifieke parameter die in de experimenten werd gebruikt. Vergelijking (2) werd toegepast om het gemiddelde van de signaal-ruisverhouding te berekenen en de voor elk experiment verkregen waarden zijn opgenomen in tabel 7. De optimale bedrijfsomstandigheden werden bepaald op basis van de maximale signaal-ruisverhouding op een bepaald niveau. Een hogere gemiddelde signaal-ruisverhouding wijst erop dat de parameter een sterker effect heeft op het aanzuringsproces. Zoals blijkt uit figuur 1 werden de optimale werkingsomstandigheden voor de aanzuring om de maximale glycerolzuiverheid te verkrijgen als volgt vastgesteld: pH op niveau 2 (2), reactietemperatuur op niveau 3 (70°C) en reactietijd op niveau 2 (40 min). De met ANOM verkregen resultaten werden verder geverifieerd met ANOVA.

Effect van parameters op verzuring

Het gemiddelde van S/N-verhoudingen geeft het niveau van de parameters op het verzuringsproces weer. Zoals uit figuur 1 blijkt, is pH de dominante parameter die van invloed is op het aanzuringsproces en de kwaliteit van het product, gevolgd door temperatuur en reactietijd. Dit wijst erop dat de parameter pH van kritisch belang is voor het aanzuringsproces en de kwaliteit van het verkregen product. De significantie van de parameters werd ook kwantitatief verkregen uit ANOM. Deze werd berekend door de afwijking van de hoogste waarde ten opzichte van de laagste waarde te berekenen. De hoogste rang werd toegekend aan de parameter met de grootste waarde van de afwijking. Een grote afwijking wijst op een aanzienlijke bijdrage en effect van die bepaalde parameter op de prestaties van het aanzuringsproces. Zoals uit tabel 7 blijkt, was de pH de meest significante parameter met een afwijking van 2,32 en was de reactietijd de minst significante parameter met een afwijking van 0,41.

Percentage Bijdrage van Parameters door ANOVA

Volgens de Taguchi-methode werd het percentage dat door elke parameter werd bijgedragen geëvalueerd om het effect van de parameter op de aanzuring in termen van de glycerolzuiverheid nauwkeurig te kwantificeren (Roy, 2001). De resultaten van de ANOVA-analyse en de procentuele bijdragen van elke parameter zijn weergegeven in tabel 8. Er werd geconstateerd dat de pH een dominant effect had op het aanzuringsproces, met een procentuele bijdrage van 76,37%. De bijdrage van de parameters werd in de volgende volgorde gevonden: pH (76,37%) > temperatuur (19,44%) > reactietijd (2,72%). Dit resultaat kwam overeen met de resultaten van de ANOM-analyse.

Bevestigingsexperimenten

Bevestigingsexperimenten is een belangrijke stap in de Taguchi ontwerpmethode. Deze stap moet worden uitgevoerd aan het einde van de optimalisatiestudie om te verifiëren of de geoptimaliseerde bedrijfsomstandigheden, die zijn geïdentificeerd met behulp van ANOM, de gewenste experimentele output opleveren. De combinatie van de geïdentificeerde optimale werkingsomstandigheden werd niet opgenomen in de negen experimentele runs van de orthogonale array. Daarom werd een bevestigingsexperiment uitgevoerd voor het aanzuringsproces met gebruikmaking van de geoptimaliseerde waarde van elke parameter en werd de signaal-ruisverhouding berekend. De zuiverheid van glycerol werd geschat met behulp van vergelijking (9) en de vergelijking tussen de werkelijke en de voorspelde glycerolzuiverheid is weergegeven in tabel 9. Zoals uit tabel 9 blijkt, is de uit het bevestigingsexperiment verkregen signaal-ruisverhouding in goede overeenstemming met de voorspelde. Uit deze resultaten blijkt dat de optimalisatie van het aanzuringsproces om glycerol met de hoogste zuiverheid te verkrijgen, succesvol was.

Ion Exchange

Drie controleerbare parameters (hoeveelheid hars, hoeveelheid oplosmiddel, en debiet) met elke parameter op drie verschillende niveaus werden geoptimaliseerd met behulp van de Taguchi orthogonale arrays experimenteel ontwerp. Op basis van het vastgestelde aantal parameters, verschillende niveaus, en de vrijheidsgraden, werd in de huidige studie een standaard L9 OA gekozen. In totaal werden zevenentwintig experimenten uitgevoerd op basis van de L9 OA met drie herhalingen. Voor elke proef werd de respons van het proces in termen van glycerolzuiverheid (wt.%) bepaald en verder geanalyseerd met behulp van de statistische aanpak. De verzamelde gegevens over de glycerolzuiverheid zijn weergegeven in tabel 5. Op basis van de verkregen resultaten bleek de glycerolzuiverheid (wt.%) van de experimenten te variëren van 87,04 tot 97,87 wt.%. Dit wijst erop dat het ionenuitwisselingsproces afhankelijk is van alle controleerbare parameters (hoeveelheid hars, hoeveelheid oplosmiddel, en debiet), en deze bevinding werd verder bewezen door de statistische analyse. De resultaten van de experimenten werden omgerekend naar de S/N-verhouding. Deze studie beoogt de glycerolzuiverheid verkregen uit het ionenuitwisselingsproces te maximaliseren. Dus, hogere kwaliteit kenmerken wordt gebruikt voor de berekening van de S / N-verhouding.

Optimale voorwaarden door ANOM aanpak

Het gemiddelde van de S / N-verhouding verkregen voor het experiment worden gepresenteerd in tabel 10. De optimale exploitatievoorwaarden werden geselecteerd op basis van de maximumwaarde van de verhouding S/N bij een bepaald niveau van een parameter. Een sterker effect op het ionenuitwisselingsproces wordt aangegeven door een hogere gemiddelde signaal-ruisverhouding. Daarom werden de optimale bedrijfsomstandigheden voor de parameters verkregen bij het niveau met het grootste gemiddelde van de signaal-ruisverhouding. Zoals blijkt uit figuur 2 werden de optimale werkingsomstandigheden voor het ionenwisselingsproces om de maximale glycerolzuiverheid te bereiken als volgt vastgesteld: de hoeveelheid hars op niveau 3 (40 g), de stroomsnelheid op niveau 1 (15 ml/min), en de hoeveelheid oplosmiddel op niveau 3 (60%). De met ANOM verkregen resultaten werden verder geverifieerd met ANOVA.

Effect van parameters op ionenwisseling

Het bereik van het gemiddelde van S / N-verhoudingen weerspiegelt het invloedniveau van de parameters op het ionenuitwisselingsproces. Zoals uit figuur 2 blijkt, was het debiet de dominante parameter die van invloed was op het ionenwisselingsproces en de productkwaliteit, gevolgd door de hoeveelheid hars en de hoeveelheid oplosmiddel. Het belang van deze parameters kon ook kwantitatief worden afgeleid uit ANOM. Dit werd bepaald door de afwijking van de hoogste waarde ten opzichte van de laagste waarde te berekenen. De hoogste rang werd toegekend aan de parameter met de hoogste afwijkingswaarde. Een aanzienlijke afwijking wijst op een aanzienlijke bijdrage en effect van die specifieke parameter op de prestaties van het ionenwisselingsproces. Zoals uit tabel 10 blijkt, was het debiet de parameter met de grootste bijdrage en de hoeveelheid oplosmiddel de parameter met de geringste bijdrage.

Percentage Bijdrage van Parameters door ANOVA

De resultaten van ANOVA op de glycerolzuiverheid en het percentage bijdragen van elke parameter zijn weergegeven in tabel 11. Uit het resultaat bleek dat het debiet een dominant effect had op het ionenuitwisselingsproces met een procentuele bijdrage van 51,02%. De bijdrage van de parameters in oplopende volgorde als volgt: debiet (51,02%) > hoeveelheid hars (28,42%) > hoeveelheid oplosmiddel (12,33%). De experimentele resultaten kwamen goed overeen met de resultaten van de ANOM-analyse.

Bevestigingsexperiment

Het model voorspelde 96,91% van de glycerolzuiverheid, en een signaal-ruisverhouding van 39,72 onder de optimale omstandigheden van 60% oplosmiddel, de stroomsnelheid van 15 mL/min, en 40 g hars. De experimenteel verkregen waarden werden vergeleken met de door het model voorspelde waarde om de geldigheid van de optimalisatieprocedure onder de vastgestelde bedrijfsomstandigheden te bevestigen. Het resultaat toont aan dat een maximale glycerolzuiverheid (98,2%) en een signaal-ruisverhouding van 39,78 werden verkregen onder de geoptimaliseerde werkingsomstandigheden. Uit de resultaten van de bevestigingsexperimenten bleek dat de werkelijke experimentele waarde en de verkregen signaal-ruisverhouding goed overeenkwamen met de voorspelde waarden. Daarom kan worden geconcludeerd dat de optimalisatie van het ionenuitwisselingsproces om de glycerolzuiverheid te verbeteren succesvol was.

Vergelijking van de karakteristiek van gezuiverd glycerol met andere werken

Het in dit werk verkregen resultaat is vergeleken met eerdere studies en gepresenteerd in de tabel 12. Uit de vergelijkingstabel blijkt dat de in dit werk toegepaste tweestapszuiveringsmethode, bestaande uit aanzuring en ionenwisseling, met succes glycerol heeft geproduceerd met een hogere zuiverheid dan in andere werken. Het percentage gezuiverde ruwe glycerol dat uit deze studie werd verkregen, bedroeg 98%. Saifuddin et al. (2013) bereikten een lagere opbrengst van glycerol met een zuiverheid van 93,1-94,2% door zowel aanzuring als adsorptiebehandeling toe te passen in vergelijking met dit werk. Bovendien waren onze tweestapszuiveringstechnieken effectiever en superieur in vergelijking met de chemische en fysische behandeling die werd gebruikt door Manosak et al. (2011) en Kongjao et al. (2010) in termen van glycerolzuiverheid.

Conclusie

Het doel van dit werk is het verkrijgen van glycerol van hoge zuiverheid door middel van het tweestaps zuiveringsproces met behulp van het optimalisatie-instrument Taguchi. Het aanzuringsproces en gevolgd door ionenwisseling hebben glycerol geproduceerd met een zuiverheid van 98,20 wt.%. Onder de geoptimaliseerde omstandigheden van pH (2), temperatuur (70°C) en reactietijd (40 min) heeft het aanzuringsproces glycerol met een zuiverheid van 76,18 wt.% verkregen. Voor het ionenwisselingsproces werd voorbehandeld glycerol gebruikt, dat was verkregen bij het aanzuringsproces onder optimale omstandigheden. Bij het ionenwisselingsproces werd glycerol verkregen met een zuiverheid van 98,20 wt.% onder de optimale omstandigheden van 60% oplosmiddel, een stroomsnelheid van 15 ml/min, en 40 g hars. De door Taguchi voorspelde waarden werden vergeleken met die van de feitelijke experimentele resultaten, en het feitelijke resultaat bleek goed overeen te stemmen met het voorspelde resultaat. Hieruit blijkt dat Taguchi met succes werd toegepast om de tweestapsmethode voor de zuivering van ruwe glycerol uit biodiesel te optimaliseren. Deze studie toont een verbetering van de glycerolzuiverheid aan van 35,60 tot 98,20 wt.% na optimalisering van het aanzurings- en ionenuitwisselingsproces, waarbij het glycerolgehalte binnen de op basis van BS 2621:1979 geaccepteerde hoeveelheid ligt.

Bijdragen van auteurs

HT: ontwerp van het werk, experimenteel werk, analyse en interpretatie van de gegevens, en schrijven van het manuscript. AA: concept van de studie, ontwerp van het werk, en het herzien van het manuscript. AB: analyse en interpretatie van gegevens en schrijven van het manuscript.

Conflict of Interest

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd in afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die zouden kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.

Acknowledgments

De auteurs zijn de Universiti Malaya Research Grant (UMRG) – Frontier Science (AFR) RG384-17AFR Research Fund van de Universiteit van Malaya erkentelijk voor de financiële ondersteuning van dit onderzoek.