شماره ركورد
34434
پديد آورنده
فاطمه كهن سال
عنوان
طراحي و ساخت نانو كاتاليست قليايي بر پايه هيدروكسيد دولايه براي توليد سوخت بايوديزل
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/10/07
استاد راهنما
دكتر مهران رضايي و دكتر سيد مهدي علوي املشي
استاد مشاور
دكتر سيده فايزه ميرشفيعي
دانشكده
مهندسي شيمي
چكيده
با افزايش مصرف سوختهاي فسيلي و پيامدهاي زيستمحيطي آن، توسعهي سوختهاي زيستي اهميت يافته است. بايوديزل بهدليل تجديدپذيري، زيستتخريبپذيري و سازگاري با موتورهاي ديزلي، گزينهاي مناسب محسوب ميشود و معمولاً از واكنش ترانساستريفيكاسيون روغنهاي گياهي يا چربيهاي حيواني با الكل توليد ميگردد. در اين پژوهش، طراحي، سنتز و بهينهسازي نانوكاتاليست قليايي ناهمگن بر پايه هيدروكسيد دولايه سهفلزي MMgAl‑LDH (M = Zn, Cu, Ni,CO) جهت استفاده در فرايند توليد بايوديزل صورت گرفت. هدف اصلي، دستيابي به ساختاري با بيشترين بلورينگي و بهترين مشخصات حفره¬اي بالاترين درصدتبديل كاتاليستي بود. در بخش سنتز، اثر پارامترهاي كليدي شامل نوع كاتيون واسطه، pH، دماي سنتز و دماي كلسيناسيون بر ويژگيهاي ساختاري و عملكردي كاتاليست بررسي شد. بر اساس نتايج آناليزهاي XRD، BET و FESEM، شرايط بهينه سنتز شامل كاتيون واسطه¬ روي، pH برابر با 10، دماي سنتز 70℃ و دماي كلسيناسيون 600℃ تعيين گرديد كه موجب تشكيل ساختار مزوحفره با حجم حفرات cm³/g 4401/0 و قطر متوسط nm 38/27 شده و عملكرد كاتاليستي مطلوبي با ٪76 تبديل فراهم آورد. در ادامه، بهمنظور بهينهسازي شرايط عملياتي واكنش ترانساستريفيكاسيون، از روش آماري باكس بنكن (Box‑Behnken Design) بهره گرفته شد. اين رويكرد، امكان تنظيم دقيق متغيرهاي واكنش شامل دما، زمان، نسبت متانول به روغن و مقدار كاتاليست را فراهم كرد و شرايط بهينه بهصورت دماي 73℃، زمان 1 ساعت، مقدار كاتاليست mg284 و نسبت مولي متانول به روغن 1 : 16 تعيين شد. تحت اين شرايط، نانوكاتاليست سنتزشده توانست بيشترين بازده تبديل، معادل ٪88 را نشان دهد كه با روش دقيق طيفسنجي 1H‑NMR تأييد گرديد و بر دقت روشهاي كمي اعمالشده صحه گذاشت. ارزيابيهاي انجامشده بر چرخههاي بازيابي و استفاده مجدد از كاتاليست نيز نشان داد كه KOH/ZnMgAl-LDH پس از چندين بار استفاده، پايداري قابلتوجهي دارد. در پنج چرخه متوالي بازاستفاده، تنها ٪5 كاهش در دو چرخه اول مشاهده شد و عملكرد كاتاليستي تا چرخه پنجم با حدود ٪60 درصد تبديل نسبت به مقدار اوليه حفظ گرديد. نتايج اين پژوهش نشان داد نانوكاتاليست سهفلزي KOH/ZnMgAl-LDH با ساختار پايدار و قابليت بازيافت بالا، عملكردي مؤثر در توليد صنعتي بايوديزل دارد. تركيب رويكردهاي مهندسي، شيمي مواد و تحليل آماري در اين تحقيق، مسير توسعهي فرايندهاي اقتصادي و پايدار سوختهاي زيستي را هموار ميسازد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/11/08
عنوان به انگليسي
Design and synthesis of an alkaline nanocatalyst based on layered double hydroxides for biodiesel fuel production
تاريخ بهره برداري
12/28/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
فاطمه كهن سال
چكيده به لاتين
With the increasing consumption of fossil fuels and their environmental consequences, the development of biofuels has gained significant importance. Biodiesel, due to its renewability, biodegradability, and compatibility with diesel engines, is considered a promising alternative. It is typically produced through the transesterification of vegetable oils or animal fats with alcohol. In this study, a heterogeneous alkaline nanocatalyst based on a three-metal layered double hydroxide (MMgAl‑LDH, where M = Zn, Cu, Ni) was designed, synthesized, and optimized for biodiesel production. The primary objective was to achieve a structure with high crystallinity, optimal pore characteristics, and maximum catalytic conversion efficiency.
During the synthesis phase, key parameters—including the type of divalent cation, pH, synthesis temperature, and calcination temperature—were investigated for their effects on the structural and functional properties of the catalyst. Based on XRD, BET, and FESEM analyses, the optimal synthesis conditions were identified as follows: zinc as the divalent cation, pH 10, synthesis temperature of 70 °C, and calcination temperature of 600 °C. These conditions resulted in a mesoporous structure with a pore volume of 0.4401 cm³/g and an average pore diameter of 27.38 nm, yielding a catalytic conversion rate of 76%. To further optimize the operational parameters of the transesterification reaction, the Box–Behnken statistical design method was employed. This approach enabled precise adjustment of reaction variables including temperature, time, methanol-to-oil molar ratio, and catalyst amount. The optimal conditions were determined to be: temperature of 73 °C, reaction time of 1 hour, catalyst amount of 285 mg, and methanol-to-oil molar ratio of 1:16. Under these conditions, the synthesized nanocatalyst achieved a maximum conversion yield of 88%, confirmed by high-resolution ¹H-NMR spectroscopy, validating the accuracy of the applied quantitative methods. Catalyst reusability and recovery cycle assessments revealed that KOH/ZnMgAl-LDH maintained considerable stability after multiple uses. Over five consecutive reuse cycles, only a 5% drop in conversion was observed during the first two cycles, and catalytic performance remained at approximately 60% of the initial conversion rate by the fifth cycle. The findings of this research demonstrate that the three-metal nanocatalyst KOH/ZnMgAl-LDH, with its stable structure and high recyclability, offers effective performance for industrial biodiesel production. The integration of engineering principles, materials chemistry, and statistical analysis in this study paves the way for the development of economically viable and sustainable biofuel processes.
كليدواژه هاي فارسي
هيدروكسيد دولايه سهفلزي (ZnMgAl LDH) , بايوديزل , بهينهسازي پاسخ سطح (RSM) , ترانس استريفيكاسيون , نانو كاتاليست قليايي , باكس بنكن
كليدواژه هاي لاتين
Box–Behnken Design , LayeredDouble Hydroxide , Transesterification , Biodiesel , Alkaline Nano catalyst
Author
fateme Kohansal
SuperVisor
Dr. Mehran Rezai and Dr. Mahdi Alavi Amlashi