Frontiers in Chemistry

Introduction

Biodiesel jest biodegradowalnym i odnawialnym paliwem produkowanym w procesie transestryfikacji ze źródeł odnawialnych, takich jak soja, mikroalgi, palmowy olej spożywczy i jatrofa (da Silva César et al., 2018; Corach et al., 2019). Ostatnio biodiesel przyciąga wielu badaczy, ponieważ jest jednym z najczęściej badanych biopaliw, które mogłyby zmniejszyć globalną zależność od paliw kopalnych i efektu cieplarnianego. Szacuje się, że produkcja biodiesla będzie wzrastać rocznie o 4,5% i osiągnie 41 Mm3 w 2022 roku (Monteiro i in., 2018).

Gliceryna surowa jest głównym produktem ubocznym wytwarzanym podczas procesu transestryfikacji w zakładzie produkującym biodiesel, z generowaniem 10 wt.% produktu biodiesla (Samul i in., 2014). Na podstawie analizy, około 1 kg surowego glicerolu jest generowany z każdych 10 kg produkcji biodiesla (Hajek i Skopal, 2010; Tan i in., 2013; Chol i in., 2018). Obecna wartość rynkowa czystego glicerolu wynosi 0,27-0,41 USD za funt; jednak surowy glicerol o 80% czystości jest tak niski, jak 0,04-0,09 USD za funt. Dowiodło to, że nadmiernie produkowana gliceryna wpływa na cenę gliceryny na rynku. Therefore, utilization of the crude glycerol for value-added products has become a serious issue in the biodiesel industry.

Glycerol with high purity has a wide application in various industry such as pharmaceutical, cosmetic, and food products. Jednak procentowa czystość glicerolu pochodzącego z przemysłu biodiesla ogranicza jego konwersję do wysoko cenionego produktu (Samul i in., 2014; Talebian-Kiakalaieh i in., 2018). Surowy glicerol zawiera dużą liczbę zanieczyszczeń, takich jak mydło, sole, etanol, metanol, woda, kwas tłuszczowy, estry metylowe, glicerydy i popiół (Tan i in., 2013; Dhabhai i in., 2016). Yang i wsp. (2012) stwierdzili, że zanieczyszczenia w surowym glicerolu mogą w znacznym stopniu wpłynąć na jego konwersję do innych produktów o wartości dodanej (Yang i wsp., 2012). Venkataramanan i in. (2012) podali również, że mydła w surowym glicerolu mają silny efekt hamujący na wykorzystanie glicerolu przez bakterie, co wpływa na wydajność surowego glicerolu jako źródła węgla w procesie fermentacji (Venkataramanan i in., 2012). Podsumowując, zanieczyszczenia obecne w surowym glicerolu stanowią istotne wyzwanie dla przekształcenia go w produkt o wartości dodanej. Dlatego ważne jest oczyszczanie surowego glicerolu, aby uniknąć nasycenia rynku i zwiększyć zyski z produkcji biodiesla.

W literaturze, najczęściej stosowanymi procesami są: destylacja, żywica jonowymienna, technologia separacji membranowej, zakwaszanie, a następnie neutralizacja i ekstrakcja rozpuszczalnikowa. Zakwaszanie jest powszechnie stosowaną techniką do neutralizacji zanieczyszczeń takich jak katalizator do soli nieorganicznej. Oprócz zakwaszania, jest ono również w stanie zmniejszyć ilość mydeł poprzez przekształcenie ich w nierozpuszczalne wolne kwasy tłuszczowe, ponieważ mogą one negatywnie wpływać na separację i powodować utratę wydajności (Hajek i Skopal, 2010; Kovács i in., 2012). Ponieważ proces zakwaszania nie usuwa wszystkich zanieczyszczeń, wymaga on dalszego etapu oczyszczania w celu usunięcia innych zanieczyszczeń, takich jak metanol, olej, woda i estry. Jednakże proces destylacji ma pewne ograniczenia w stosunku do innych, ponieważ wymaga dużego nakładu energii do odparowania i powoduje rozkład termiczny (Lancrenon i Fedders, 2008). Ponadto, podczas destylacji wymagana jest również wysoka próżnia, aby zapobiec denaturacji glicerolu w wysokiej temperaturze poprzez tworzenie się akroleiny (Manosak i in., 2011). Ponadto, proces ten wymaga wysokich nakładów inwestycyjnych i kosztów utrzymania, czemu towarzyszą znaczne straty glicerolu (Sdrula, 2010). W porównaniu z procesem destylacji, proces wymiany jonowej zyskuje szeroką akceptację ze względu na prostotę działania, niski pobór mocy i zapotrzebowanie na energię, jak również fakt, że okazał się skuteczny w usuwaniu śladowych ilości zanieczyszczeń, koloru i zapachu (Carmona i in., 2009, 2012). Poza tym, Xiao et al. (2013) zasugerowali, że wieloetapowy proces oczyszczania surowego glicerolu może zwiększyć jego czystość, czyniąc go realnym do różnych zastosowań (Xiao et al., 2013).

Niniejsze badanie ma na celu uzyskanie surowego glicerolu o najwyższej czystości poprzez dwuetapowe oczyszczanie przy użyciu technik zakwaszania i wymiany jonowej, z pomocą metody Taguchi. W tym badaniu, analiza statystyczna, w tym L9 ortogonalna macierz Taguchi, stosunek sygnału do szumu, analiza średniej, analiza wariancji i analizy regresji zostały wykorzystane do identyfikacji optymalnych warunków procesów oczyszczania.

Materiały, chemikalia i metody

Materiały

Surowy glicerol został pobrany z lokalnej fabryki biodiesla, w Malezji. Silną żywicę kationowymienną H+, Amberlyst 15, zakupiono w firmie Sigma Aldrich Sdn. Bhd. Właściwości żywicy przedstawiono w tabeli 1. Kwas fosforowy (85% mas.), granulki wodorotlenku sodu i metanol zakupiono w firmie Merck Sdn. Bhd. Do przygotowania roztworów chemicznych użyto wody destylowanej.

Proces oczyszczania glicerolu

Pierwszy etap: Acidification

Surowy glicerol poddano wstępnej obróbce w oparciu o procedurę zaadoptowaną z Manosak i wsp. (2011). Doświadczenia przeprowadzono w kolbach Erlenmeyera o pojemności 500 ml i wyrównano przy użyciu mieszadła magnetycznego. Początkowo surowy glicerol zakwaszono kwasem fosforowym do pożądanej wartości pH, a następnie mieszano ze stałą prędkością 200 obr/min przez 1 h. Następnie roztwór pozostawiono w stanie jałowym w celu rozdzielenia faz. Rozdzielono go na trzy warstwy, które są odpowiednio warstwami wolnego kwasu tłuszczowego, glicerolu i soli nieorganicznych. Pierwsza warstwa, bogata w kwas tłuszczowy, została oddzielona przez dekantację, a wytrącona sól została usunięta przez filtrację przy użyciu filtra 0,45 μm. Warstwa środkowa, bogata w glicerol, została zneutralizowana (pH 7) przez dodanie NaOH. Powstałe na etapie neutralizacji sole nieorganiczne i sole kwasów tłuszczowych usuwano przez filtr 0,45 μm. Parametrami wejściowymi wybranymi do tego projektu były pH, temperatura i czas reakcji, które oznaczono odpowiednio jako parametry A, B i C (tabela 2). Do projektowania eksperymentów w tej pracy wykorzystano macierz ortogonalną L9 (Tabela 3).

Drugi etap: Wymiana jonowa

W procesie wymiany jonowej wykorzystano wstępnie oczyszczony glicerol uzyskany w procesie zakwaszania przy zoptymalizowanych warunkach operacyjnych. Żywice jonowymienne badano przepuszczając nadawę przez 300 ml kolumnę z żywicą osadzoną w szklanej rurce. Do usuwania wolnych jonów zastosowano żywice jonowymienne typu Amberlyst 15 w formie wodorowej. Żywica została wstępnie spęczniona metanolem (25 % mas.) w szklanym naczyniu i umieszczona w kolumnie. Ponadto wewnątrz kolumny umieszczono również kulki krzemionkowe w celu usunięcia nadmiaru wilgoci. Żywice jonowymienne zostały użyte do adsorpcji wolnych anionów i kationów we wstępnie przetworzonym glicerolu. Wstępnie obrobiona gliceryna została następnie wprowadzona do zbiornika zasilającego, a pompa została użyta do cyrkulacji surowej gliceryny przez złoże żywicy jonowymiennej we wcześniej ustalonych warunkach roboczych. Temperatura w eksperymencie ze złożem stałym została ustalona na poziomie temperatury pokojowej (22°C). Następnie próbka została umieszczona w wyparce obrotowej w celu usunięcia metanolu. Odcieki były zbierane i analizowane. Parametry wejściowe wybrane do tego projektu to: ilość żywicy, prędkość przepływu i ilość rozpuszczalników. Wybrano standardową macierz ortogonalną L9 (OA) i przeprowadzono dziewięć badań eksperymentalnych w celu optymalizacji procesu. Macierz ortogonalna L9 służy do zrozumienia wpływu niezależnych czynników, z których każdy ma 3 wartości poziomu czynnika. Projekt eksperymentu Taguchi sugeruje macierz ortogonalną L9, gdzie dziewięć eksperymentów wystarcza do optymalizacji parametrów. Każdy parametr na trzech poziomach dla tego badania jest przedstawiony w tabeli 4. Tabela 5 przedstawia przebiegi doświadczalne z różnymi kombinacjami parametrów na różnych poziomach.

Metody analityczne

Chromatografia gazowa (GC) Agilent 6890 połączona z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym (FID) została wykorzystana do identyfikacji stężenia glicerolu w następujących warunkach: (i) kolumna kapilarna (DB 5HT), średnica wewnętrzna 0,32 mm, długość 15 m z warstwą cieczy 0,1 μm, (ii) gaz nośny hel z prędkością 1,0 mL/min, oraz (iii) temperatura iniektora 200°C, oraz (iv) całkowity czas przebiegu 5 min. Zawartość wody w glicerolu mierzono przy użyciu titratora Karla Fishera. Do obliczenia zawartości popiołu zastosowano metodę standardową (ISO 2098-1972). Zawartość organicznego nie-glicerolu (MONG) w glicerolu mierzono odejmując sumę zawartości glicerolu, popiołu i wody zgodnie z metodą standardową (ISO 2464-1973). Oznaczenia pH dla surowego i oczyszczonego glicerolu przeprowadzono przy użyciu pH-metru (Cyberscan pH 300, 19 Eutectic instruments).

Projektowanie eksperymentów z wykorzystaniem metody Taguchi

W niniejszej pracy, metoda Taguchi została wykorzystana do zaprojektowania i optymalizacji dwuetapowego procesu oczyszczania surowego glicerolu. Pakiet oprogramowania Minitab 16 został użyty do wspomagania projektowania eksperymentów i analizy statystycznej w celu określenia optymalnych warunków operacyjnych. W niniejszej pracy jako parametr oceny efektywności procesu zakwaszania w różnych warunkach operacyjnych przyjęto zawartość glicerolu (% mas.). Dane uzyskane dla każdego eksperymentu w OA analizowano za pomocą stosunku sygnał/szum (stosunek S/N) w celu zbadania wpływu istotnych czynników i określenia optymalnej konfiguracji parametrów ustalonych w projekcie eksperymentalnym. Stosunek S/N może być zoptymalizowany przy użyciu kilku kryteriów, w tym większy-lepszy, mniejszy-lepszy lub nomina-lepszy.

W tym badaniu, większy-lepszy podejście zostało zastosowane do oceny eksperymentalnej odpowiedzi dla oczyszczania glicerolu. Stosunek S/N obliczono przy użyciu równania (1) (Park, 1996; Sharma et al., 2005):

gdzie „n” przedstawia całkowitą liczbę powtórzeń każdej serii badawczej, a Yi przedstawia czystość glicerolu w doświadczeniu replikacyjnym „i” przeprowadzonym w tych samych warunkach doświadczalnych każdej serii badawczej. Stosunek S/N obliczono dla każdego eksperymentu. Istotne parametry zostały zidentyfikowane na podstawie stosunku S/N czystości glicerolu.

Analiza średniej

W tym badaniu, Analiza średniej (ANOM) została użyta do określenia optymalnych warunków operacyjnych procesu zakwaszania (Chary i Dastidar, 2012). Średnia stosunku S/N pokazuje wpływ każdego parametru niezależnie od siebie. Średnią wartość stosunku S/N obliczono poprzez uśrednienie wartości stosunku S/N dla wszystkich eksperymentów.

Średnią wartość stosunku S/N pojedynczego parametru „F” na poziomie „I” obliczono korzystając z równania (2):

Gdzie nFi jest liczbą wystąpień parametru „F” na poziomie „i”, a j reprezentuje stosunek S/N parametru „F” na poziomie „i” w jego j-tej wartości (gdzie j = 1,2,3…, n).

Analiza wariancji

Analiza wariancji (ANOVA) została przeprowadzona w celu statystycznej oceny wpływu różnych parametrów na wydajność procesu. Analizę ANOVA przeprowadzono poprzez obliczenie sumy kwadratów (SS), wariancji (V), stopni swobody (DOF), współczynnika wariancji (F factor) oraz procentowego udziału (ρF). W ANOVA badano istotność wszystkich parametrów oraz interakcji między parametrami, stosując poniższe równania. Zgodnie z metodą Taguchi, procentowy udział wszystkich badanych parametrów został wykorzystany do oceny wpływu każdego parametru na proces zakwaszania oraz do zbadania, które parametry istotnie wpływają na odpowiedź procesu poprzez analizę ANOVA (Roy, 2001). Procentowy udział każdego parametru, ρF, został obliczony przy użyciu poniższego równania:

W równaniu (3), Ve jest wariancją z powodu błędu, DOFF jest stopniem swobody badanego parametru i może być obliczony przez odjęcie jednego od liczby poziomów parametru (L).

Suma kwadratów ze względu na czynnik, SSF, została obliczona przy użyciu równania (4):

W którym, ηt = suma stosunku S/N każdego parametru na i-tym poziomie, ηi jest stosunkiem S/N wyników eksperymentalnych, a m jest liczbą powtórzeń każdego poziomu parametru.

SST w równaniu (3) obliczono za pomocą równania (5). SST jest sumą sum kwadratów, N jest liczbą wszystkich obserwacji,

Suma kwadratów z powodu błędu, SSe, została obliczona za pomocą równania (6):

Wariancję parametru, Vp, obliczono równaniem (7):

Współczynnik Fishera (F) określający istotność parametru obliczono równaniem (8):

Doświadczenia potwierdzające

Przeprowadzono test potwierdzający w celu weryfikacji optymalnych warunków zaproponowanych przez analizę ANOM i ANOVA. Przewidywaną czystość glicerolu i stosunek S/N obliczono przy użyciu równania (9):

gdzie Ym = całkowita średnia stosunku S/N, Yi¯ = stosunek S/N na poziomie optymalnym, a k = liczba parametrów.

Wyniki i dyskusja

Charakterystyka surowego glicerolu

Surowy glicerol był ciemnobrązową cieczą o pH 9,6. Ma wyższe pH w porównaniu do komercyjnego glicerolu. Surowy glicerol zawiera niewielką ilość glicerolu (46,8 % mas.), ale wysoką zawartość popiołu, wody i MONG, jak można zobaczyć w tabeli 6. Wykazano, że głównym zanieczyszczeniem w surowej glicerynie jest zawartość MONG (50,4 % mas.). MONG składa się z zanieczyszczeń takich jak mydło, alkohol i estry metylowe w glicerynie z etapów przetwarzania biodiesla (Kongjao et al., 2010). Powstałe wolne kwasy tłuszczowe zostaną uwolnione w postaci rozpuszczalnego mydła. Ponadto, estry metylowe będą zawieszone w fazie glicerolu podczas procesu rozdzielania faz (Kongjao i in., 2010). Te związki organiczne mogą również reagować z nadmiarem katalizatora alkalicznego, takiego jak NaOH lub KOH, który pozostaje w roztworze glicerolu, w celu zreformowania mydła. Zawartość popiołu (4,7 % mas.) składa się z substancji nieorganicznych pochodzących z wykorzystania katalizatorów alkalicznych takich jak NaOH i KOH podczas procesu transestryfikacji. Zawartość wody (9,3 % mas.) w próbce surowego glicerolu może wynikać z higroskopijnej natury glicerolu, który absorbuje wilgoć z otoczenia podczas procesu transestryfikacji.

Kwaszenie

Metodą Taguchi badano wpływ parametrów na wydajność procesu zakwaszania oraz określono optymalne warunki pracy. Do zaprojektowania eksperymentu wykorzystano trzy sterowalne parametry (pH, temperatura i czas reakcji), przy czym każdy parametr miał trzy różne poziomy. W oparciu o wybrane parametry, poziomy i stopnie swobody wybrano standardową metodę L9 OA. W oparciu o metodę Taguchi, wyniki eksperymentów zostały obliczone w kategoriach stosunku S/N, a następnie zinterpretowane. Współczynniki S/N mierzą odchylenia cech jakościowych od wartości pożądanej i obliczają warunki optymalne (Karabas, 2013). Celem niniejszej pracy jest maksymalizacja czystości glicerolu. Zatem wyższe charakterystyki jakościowe są bardziej pożądane. Równanie (1) zostało wykorzystane do wyznaczenia stosunku S/N. Stosunek S/N dla każdej serii eksperymentalnej uzyskano przez podstawienie wartości czystości glicerolu i kilku powtórzeń każdej serii eksperymentalnej „n” do równania (1).

Optimal Conditions by ANOM Approach

ANOM jest używany do identyfikacji wpływu na poszczególne parametry i określenia optymalnych warunków dla procesu zakwaszania (Chary i Dastidar, 2012). Analiza ta została przeprowadzona poprzez uśrednienie wszystkich współczynników S/N danego parametru użytego w eksperymentach. Do obliczenia średniej wartości stosunku S/N zastosowano równanie (2), a wartości uzyskane dla poszczególnych eksperymentów przedstawiono w tabeli 7. Optymalne warunki pracy wyznaczono na podstawie maksymalnego stosunku S/N na określonym poziomie. Wyższa średnia S/N wskazuje, że parametr ten ma silniejszy wpływ na proces zakwaszania. Jak widać na rysunku 1, optymalne warunki prowadzenia procesu zakwaszania w celu uzyskania maksymalnej czystości glicerolu określono następująco: pH na poziomie 2 (2), temperatura reakcji na poziomie 3 (70°C) oraz czas reakcji na poziomie 2 (40 min). Wyniki uzyskane z ANOM zostały dodatkowo zweryfikowane metodą ANOVA.

Effect of Parameters on Acidification

Średnie wartości współczynników S/N odzwierciedlają poziom wpływu parametrów na proces zakwaszania. Jak wynika z rysunku 1, dominującym parametrem wpływającym na proces zakwaszania i jakość produktu jest pH, następnie temperatura i czas reakcji. Wskazuje to, że parametr pH ma decydujący wpływ na proces zakwaszania i jakość otrzymanego produktu. Istotność parametrów uzyskano również ilościowo z ANOM. Obliczono ją poprzez obliczenie odchylenia wartości najwyższej od wartości najniższej. Najwyższą rangę przypisano parametrowi, który charakteryzował się największą wartością odchylenia. Duże odchylenie wskazuje na znaczący udział i wpływ danego parametru na przebieg procesu zakwaszania. Jak wynika z tabeli 7, pH było najbardziej znaczącym parametrem z odchyleniem 2,32, a czas reakcji był najmniej znaczącym parametrem z odchyleniem 0,41.

Percentage Contribution of Parameters by ANOVA

Zgodnie z metodą Taguchi, procentowy wkład każdego parametru został oceniony w celu dokładnego określenia wpływu parametru na proces zakwaszania w odniesieniu do czystości glicerolu (Roy, 2001). Wyniki analizy ANOVA oraz procentowy udział poszczególnych parametrów przedstawiono w tabeli 8. Stwierdzono, że dominujący wpływ na przebieg procesu zakwaszania ma pH, którego udział procentowy wynosił 76,37%. Udział poszczególnych parametrów kształtował się w następującej kolejności: pH (76,37%) > temperatura (19,44%) > czas reakcji (2,72%). Wynik ten był zgodny z rezultatami uzyskanymi z analizy ANOM.

Doświadczenia potwierdzające

Doświadczenie potwierdzające jest ważnym krokiem w metodzie projektowania Taguchi. Ten etap musi być przeprowadzony na końcu badania optymalizacyjnego, aby zweryfikować, czy zoptymalizowane warunki operacyjne, które zostały zidentyfikowane przy użyciu ANOM, dają pożądane wyniki eksperymentalne. Kombinacja zidentyfikowanych optymalnych warunków pracy nie została uwzględniona w dziewięciu przebiegach eksperymentalnych macierzy ortogonalnej. W związku z tym przeprowadzono eksperyment potwierdzający dla procesu zakwaszania, stosując zoptymalizowane wartości każdego parametru i obliczono stosunek S/N. Czystość glicerolu oszacowano przy użyciu równania (9), a porównanie pomiędzy rzeczywistą i przewidywaną czystością glicerolu przedstawiono w tabeli 9. Jak widać z tabeli 9, stosunek S/N uzyskany w eksperymencie potwierdzającym jest w dobrej zgodności z przewidywanym. Wyniki te pokazały, że optymalizacja procesu zakwaszania w celu uzyskania glicerolu o najwyższej czystości zakończyła się sukcesem.

Wymiana jonowa

Trzy sterowalne parametry (ilość żywicy, ilość rozpuszczalnika i szybkość przepływu) z każdym parametrem na trzech różnych poziomach zostały zoptymalizowane przy użyciu ortogonalnych tablic Taguchiego. Na podstawie zidentyfikowanej liczby parametrów, kilku poziomów i stopni swobody, w bieżących badaniach wybrano standardową L9 OA. Łącznie przeprowadzono dwadzieścia siedem serii eksperymentalnych w oparciu o L9 OA z trzema powtórzeniami. Dla każdego przebiegu eksperymentalnego określono odpowiedź procesu w zakresie czystości glicerolu (% mas.) i poddano ją dalszej analizie statystycznej. Zebrane dane dotyczące czystości glicerolu przedstawiono w tabeli 5. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że czystość glicerolu (% mas.) w eksperymentach wahała się od 87,04 do 97,87 % mas. Wskazuje to, że proces wymiany jonowej jest zależny od wszystkich możliwych do kontrolowania parametrów (ilość żywicy, ilość rozpuszczalnika i natężenie przepływu), a wniosek ten został dodatkowo potwierdzony analizą statystyczną. Wyniki eksperymentów zostały przeliczone na stosunek S/N. Celem niniejszej pracy jest maksymalizacja czystości glicerolu uzyskanego w procesie wymiany jonowej. W związku z tym do obliczenia stosunku S/N użyto charakterystyki wyższej jakości.

Optimal Conditions by ANOM Approach

Średnie stosunku S/N uzyskane dla eksperymentu przedstawiono w tabeli 10. Optymalne warunki pracy zostały wybrane na podstawie maksymalnej wartości stosunku S/N przy określonym poziomie danego parametru. O silniejszym wpływie na proces wymiany jonowej świadczy wyższa średnia S/N. Dlatego optymalne warunki pracy dla parametrów uzyskano na poziomie o największej średniej stosunku S/N. Jak pokazano na rysunku 2, optymalne warunki prowadzenia procesu wymiany jonowej dla uzyskania maksymalnej czystości glicerolu określono następująco: ilość żywicy na poziomie 3 (40 g), natężenie przepływu na poziomie 1 (15 mL/min) oraz ilość rozpuszczalnika na poziomie 3 (60%). Wyniki uzyskane z ANOM zweryfikowano dodatkowo metodą ANOVA.

Effect of Parameters on Ion Exchange

Zakres średnich wartości współczynników S/N odzwierciedla poziom wpływu parametrów na proces wymiany jonowej. Jak wynika z rysunku 2, dominującym parametrem wpływającym na proces wymiany jonowej i jakość produktu było natężenie przepływu, a następnie ilość żywicy i ilość rozpuszczalnika. Znaczenie tych parametrów uzyskano również ilościowo na podstawie ANOM. Określono je poprzez obliczenie odchylenia wartości najwyższej od wartości najniższej. Najwyższą rangę przypisano parametrowi o największej wartości odchylenia. Znaczne odchylenie wskazuje na istotny udział i wpływ tego parametru na wydajność procesu wymiany jonowej. Jak pokazano w tabeli 10, szybkość przepływu była głównym parametrem wnoszącym wkład, a ilość rozpuszczalnika była parametrem wnoszącym najmniejszy wkład.

Percentowy wkład parametrów według ANOVA

Wyniki ANOVA dla czystości glicerolu i procentowy wkład każdego parametru przedstawiono w tabeli 11. Wynika z nich, że dominujący wpływ na proces wymiany jonowej ma natężenie przepływu, którego procentowy udział wynosił 51,02%. Udział poszczególnych parametrów w kolejności rosnącej był następujący: natężenie przepływu (51,02%) > ilość żywicy (28,42%) > ilość rozpuszczalnika (12,33%). Wyniki doświadczalne były w dobrej zgodności z wynikami uzyskanymi z analizy ANOM.

Doświadczenie potwierdzające

Model przewidywał 96,91% czystości glicerolu, oraz stosunek S/N równy 39,72 w optymalnych warunkach 60% rozpuszczalnika, natężenia przepływu 15 mL/min, oraz 40 g żywicy. Uzyskane doświadczalnie wartości porównano z wartościami przewidywanymi przez model w celu potwierdzenia słuszności procedury optymalizacji w ustalonych warunkach pracy. Wyniki pokazują, że maksymalna czystość glicerolu (98,2%) oraz stosunek S/N wynoszący 39,78 zostały uzyskane przy zastosowaniu zoptymalizowanych warunków operacyjnych. Wyniki eksperymentów potwierdzających wykazały, że rzeczywiste wartości doświadczalne oraz uzyskany stosunek S/N były w dobrej zgodności z wartościami przewidywanymi. Można zatem stwierdzić, że optymalizacja procesu wymiany jonowej w celu poprawy czystości glicerolu zakończyła się sukcesem.

Comparison of the Characteristic of Purified Glycerol With Other Works

Wynik uzyskany w tej pracy został porównany z wcześniejszymi badaniami i przedstawiony w tabeli 12. Z tabeli porównawczej wynika, że zastosowana w pracy metoda dwustopniowego oczyszczania złożona z techniki zakwaszania i wymiany jonowej pozwoliła na uzyskanie glicerolu o wyższej czystości w porównaniu z innymi pracami. Procentowy udział oczyszczonego surowego glicerolu uzyskanego w tej pracy wynosił 98%. Saifuddin i wsp. (2013) uzyskali niższą wydajność glicerolu o czystości 93,1-94,2% stosując zarówno zakwaszanie jak i obróbkę adsorpcyjną w porównaniu do niniejszej pracy. Poza tym, nasze dwuetapowe techniki oczyszczania były bardziej skuteczne i lepsze w porównaniu z obróbką chemiczną i fizyczną stosowaną przez Manosak et al. (2011) oraz Kongjao et al. (2010) pod względem czystości glicerolu.

Podsumowanie

Celem niniejszej pracy jest otrzymanie glicerolu o wysokiej czystości poprzez dwuetapowy proces oczyszczania z wykorzystaniem narzędzia optymalizacji Taguchi. W wyniku procesu zakwaszania, a następnie wymiany jonowej otrzymano glicerol o czystości 98,20 % mas. W zoptymalizowanych warunkach pH (2), temperatury (70°C) i czasu reakcji (40 min), w procesie zakwaszania uzyskano glicerol o czystości 76,18% mas. W procesie wymiany jonowej zastosowano wstępnie obrobiony glicerol, który otrzymano z procesu zakwaszania o zoptymalizowanych warunkach operacyjnych. W procesie wymiany jonowej uzyskano glicerol o czystości 98,20 % mas. w zoptymalizowanych warunkach 60% rozpuszczalnika, natężenia przepływu 15 mL/min i 40 g żywicy. Wartości przewidywane metodą Taguchi zostały porównane z rzeczywistymi wynikami eksperymentalnymi, a wynik rzeczywisty okazał się być w dobrej zgodności z wynikiem przewidywanym. Wykazano, że metoda Taguchi została z powodzeniem zastosowana do optymalizacji dwuetapowego procesu oczyszczania surowego glicerolu pochodzącego z biodiesla. Badania te wykazały poprawę czystości glicerolu z 35,60 do 98,20 % mas.% po optymalizacji procesów zakwaszania i wymiany jonowej, przy zawartości glicerolu w ilości akceptowanej na podstawie BS 2621:1979.

Wkład Autorów

HT: koncepcja pracy, praca eksperymentalna, analiza i interpretacja danych oraz napisanie manuskryptu. AA: koncepcja badania, projekt pracy i korekta manuskryptu. AB: analiza i interpretacja danych oraz napisanie manuskryptu.

Konflikt interesów

Autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych powiązań, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Podziękowania

Autorzy są wdzięczni Universiti Malaya Research Grant (UMRG) – Frontier Science (AFR) RG384-17AFR Research Fund z University of Malaya za finansowe wsparcie tych badań.

.