Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с коллегами из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН предложили подход, позволяющий оптимизировать физико-химические свойства биодизельного топлива на основе масел и, в перспективе, создать экономически эффективную стратегию для производства биодизеля с заданными характеристиками без химических добавок.
Одно из основных препятствий для коммерческого применения биодизеля — это влияние состава жирных кислот исходного сырья на его физико-химические и эксплуатационные свойства, например, на низкотемпературность, окислительную стабильность, удельную теплоту сгорания и вязкость. Эти свойства напрямую определяются составом жирных кислот исходного сырья, поскольку их углеродный скелет остается неизменным в процессе переэтерификации (один из видов модификации масел и жиров, позволяющий путем преобразования триглицеридного состава влиять на их физико-химические свойства — прим.).
Предварительное смешивание растительных масел перед переэтерификацией — один из наиболее перспективных подходов к решению этой проблемы. Так как сочетание сырья с взаимодополняющими профилями жирных кислот позволяет не только нивелировать индивидуальные ограничения, но и улучшать свойства. Однако, выбор масел часто зависит от доступности в конкретном регионе и стоимости.
«Используемые методы основаны на ограниченном наборе жирных кислот и игнорируют взаимодействие компонентов смеси, что снижает их точность для новых комбинаций сырья. Тогда как наше исследование посвящено разработке комплексной прогностической модели, специально адаптированной к распространенному в регионах умеренно-континентального климата сырью — рапсу, льну и сафлору. Такой подход позволяет превратить предварительное смешивание масле в точный инструмент для адаптации свойств биотоплива к существующим стандартам EN 14214 без химических добавок», — рассказала один из авторов работы, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Владлена Чоботова.
В качестве сырья ученые выбрали нерафинированные рапсовое, льняное и сафлоровое масла — из-за присущих им свойств, а также региональной доступности и более низкой, по сравнению с рафинированными аналогами, стоимостью. Так, свойства рапсового масла позволяют получать биодизель с высоким цетановым числом и окислительной способностью, льняного — снижать вязкость биодизеля, а сафлорового — получать топливо со свойствами, промежуточными между рапсовым и льняным. В качестве спиртового и щелочного катализаторов использовали метанол и гидроксид калия, соответственно.
Перед переэтерификацией масла смешивали в соответствии с экспериментальной матрицей, охватывающей бинарные (50/50, 30/70 мас.%) и тройные (25/25/50, 33/33/33 мас.%) составы. Такой подход, по словам исследователей, позволил получить более сбалансированный физико-химический профиль. Затем, используя экспериментальную установку, разработанную в Томском политехе, проводили переэтерификацию. Реакция проходила в течение 60 минут при непрерывном перемешивании со скоростью 800 оборотов в минуту при температуре 55 ±1 °C.
После завершения реакции ученые проанализировали состав и свойства метиловых эфиров жирных кислот, полученных образцов смеси — кинематическую вязкость, цетановое число, удельную теплоту сгорания, низкотемпературность и другие. Всего физико-химические свойства были измерены для 14 различных составов, включая топлива из чистых масел, бинарных и тройных смесей. На основе полученных данных были разработаны восемь моделей линейной регрессии для количественной корреляции состава жирных кислот с ключевыми свойствами топлива. Высокая точность прогнозирования подтверждена статистической проверкой.
«Установлено, что предварительное смешивание рапсового, льняного и сафлорового масел перед переэтерификацией приводит к почти линейному изменению массовых долей жирных кислот. Выход метиловых эфиров жирных кислот составлял от 96,8 до 99,2 %, что полностью соответствует минимальным требованиям стандарта EN 14214. Также установлено, что минорные жирные кислоты оказывают статистически значимое влияние на кинематическую вязкость и низкотемпературные свойства. Многокритериальная оптимизация по восьми параметрам позволила определить оптимальное соотношение сырья: 90 мас.% рапса / 5 мас.% льна / 5 мас.% сафлора. Предложенный алгоритм может быть интегрирован в автоматизированные системы управления сырьем, что позволит динамически корректировать рецептуру в ответ на колебания рыночных цен и качества сырья», — пояснил еще один из авторов статьи, ассистент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Федоренко.
Полученные результаты показали, что использование доступных в регионе масел снижает логистические затраты на 10–15 % по сравнению с импортным сырьем. При этом предложенную оптимизационную модель можно легко адаптировать к другим региональным комбинациям масел, что делает ее перспективной для локализованного и экономически эффективного производства биодизеля.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.
