IMPLEMENTIERUNGSVORSCHRIFT

Transkript

1 IMPLEMENTIERUNGSVORSCHRIFT Die Herstellung von Biodiesel Autor: -Adresse: Institution: Andreas Hofinger-Horvath Univ. für Bodenkultur Wien, Dept. für Chemie Der Herstellungsprozess Ohne hier auf technologische bzw. großtechnische Belange eingehen zu können, ist das Grundprinzip der Biodieselherstellung untenstehend schematisch angeführt. Recycled Greases Sulfuric Acid + Methanol Vegetable Oils Dilute Acid Esterfication Methanol + KOH Transesterification Methanol Recovery Crude Glycerin Crude Biodiesel Glycerin Refining Refining Glycerin Biodiesel Als Ausgangsbasis können einerseits verschiedene Pflanzenöle (wie z.b. Rapsöl oder Sonnenblumenöl in gemäßigten Klimazonen oder Palmöl) oder andererseits gebrauchte Speisefette und -öle Verwendung finden. 1

2 Triglycerid Methanol Glycerin FAME 1) Gebrauchte Speiseöle und -fette zeigen in der Aufbereitung aber einige Probleme. Abgesehen von verschiedenen Schwebstoffen und Speiseresten ist es vor allem die Feuchtigkeit in Verbindung mit hoher Temperatur (z.b. Frittierfett), welche zu einer teilweisen Hydrolyse der Triglyceride führt. Dabei entstehen versch. freie Fettsäuren, die nicht direkt in einer base-katalysierten Reaktion in Methylester umgewandelt werden können. Hier muss die Veresterung zuerst in einer säurekatalysierten Reaktion erfolgen, bevor die restlichen Triglyceride in der base-katalysierten Transesterreaktion (Umesterung) in Biodiesel umgewandelt werden. 2) Reine Pflanzenöle können in einer base-katalysierten Umesterungsreaktion direkt in Biodiesel umgewandelt werden (diese Anwendung wird in unserem Beispiel gezeigt). Mindestanforderung an die Ausstattung Labor: PSA (Persönliche Schutzausrüstung): Stromanschluss Wasseranschluss Schutzbrille Labormantel 2

3 Benötigte Geräte Name Anzahl Verwendung check Eisenstativ 2 Synthese, Trennung, Filtration Eisenring 1 Trennung, Filtration Doppelmuffe 3 Synthese, Trennung, Filtration Kühlerklemme 1 Synthese Kolbenklemme 1 Synthese Schliffklemme 1 Synthese Laborboy 1 Synthese Magnetrührer mit 1 Synthese Heizfunktion Kristallisierschale 500ml 1 Synthese Rückflusskühler 1 Synthese Gummischlauch 2 Synthese Rundkolben 100ml 1 Synthese Magnetrührbohne 1 Synthese Scheidetrichter 250ml 1 Trennung Erlenmayerkolben 100ml 3 Trennung, Filtration Rollrandglas mind. 10ml 1-3 Filtration, Probenaufbewahrung Glasstab 1 Filtration Glastrichter ca. 6-8cm 1 Trennung, Filtration Faltenfilter 1 Filtration Waage 1 Synthese Pasteurpipetten 1 Synthese Gummisauger 1 Synthese Messpipette 10ml 1 Synthese Spatel 1 Synthese Korkring klein 1 Synthese Hornlöffel 1 Filtration Benötigte Chemikalien Name Anmerkung Verwendung check Raps- Sonnenblumenöl möglichst frisch Synthese Methanol wasserfrei Synthese KOH Plätzchen - Synthese Natriumsulfat wasserfrei Trocknung (Filtration) 3

4 Abb. 1 Aufbau der Apparatur Der Rückflusskühler wird mit der Kühlerklemme und der Doppelmuffe so am Eisenstativ befestigt, dass darunter noch genügend Platz bleibt (ca. 50cm). Die Schläuche für das Kühlwasser werden so angeschlossen, dass das Kühlwasser über die Spirale des Rückflusskühlers abgeführt wird (das frische Wasser soll möglichst schnell ganz unten sein). Danach wird gemäß Abb. 1 zuerst der Laborboy auf den Fuß des Eisenstativs gestellt, auf diesen der Magnetrührer mit Heizfunktion und auf diesen die Kristallisierschale mit Wasser. Der Rundkolben wird mit einer Schliffklemme am unteren Ende des Rückflusskühlers aufgesetzt und mit einer Kolbenklemme mit Doppelmuffe fixiert (Verspannungsfrei montieren!). Dabei soll sich der Rundkolben noch in der Luft befinden. Erst durch das Anheben des Laborboys darf der Rundkolben in das Wasserbad tauchen! Die Apparatur bleibt oben offen! Der Aufbau muss exakt lt. Skizze erfolgen (Eisenstativ), da ansonsten Kippgefahr der Apparatur besteht! Der Scheidetrichter Ein Scheidetrichter (Abb. 2, auch Schütteltrichter) ist ein Glasgerät, das im chemischen Labor verwendet wird, um miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten zu trennen. Das Gerät hat oben eine Schlifföffnung, die mit einem Stopfen verschlossen werden kann, und unten einen Hahn. Werden nun zwei nicht mischbare Flüssigkeiten (zwei Phasen) eingefüllt (z. B. Wasser und Öl, siehe Abb. 3), so sammelt sich die Flüssigkeit mit der größeren Dichte unten an (bei Wasser und Öl also das Wasser) und kann über den Hahn in ein anderes Gefäß abgelassen werden. Die nach unten schmaler werdende Form des Gefäßes erleichtert eine genaue Trennung, also das Schließen des Hahnes gerade bevor die leichtere Phase anfängt auszurinnen. 4

5 Abb. 2 Unerfahrene Anwender verwerfen oft die falsche Phase, also z.b. die Phase in der sich das Zielmolekül befindet. Es wird empfohlen, beide Phasen so lange aufzuheben, bis der gewünschte Stoff isoliert und einwandfrei charakterisiert ist. Generell gilt: organische Phasen sind meist leichter als Wasser und damit oben. Wenn sich Halogene an dem organischen Molekül befinden, kann die organische Phase auch schwerer werden und sich unten befinden. Wenn man einen Tropfen destilliertes Wasser hinzugibt und schaut, in welcher Phase er verschwindet, kann man auch schnell die wässrige Phase identifizieren. Experimentelles Synthese: entsprechend Abb.1 wird der Rundkolben mit exakt 26,0 g Pflanzenöl, 7,5 g (= 9,5 ml) Methanol und 0,26 g (ca. 3 Stück) KOH-Plätzchen beschickt. Dazu wird der 100 ml Rundkolben auf die Waage gestellt, mit der Tara-Taste die Anzeige der Waage auf Null gestellt und zuerst das Pflanzenöl vorsichtig zugegeben ca. 24 g direkt aus der Flasche zugeben und die restliche Menge mit der Pasteurpipette genau dosiert. Danach wird der Methanol mit einer Messpipette zugegeben, danach die Waage wieder auf Null gestellt und schließlich drei Plätzchen KOH zugegeben. Abschließend wird der Mischung vorsichtig ein Rührmagnet beigegeben. Der 100 ml Rundkolben wird nun mittels Schliffklemme und Kolbenklemme am Stativ befestigt (Abb.1, siehe oben). Der Magnetrührer mit dem darauf befindlichen Wasserbad wird mit Hilfe des Laborboys angehoben, bis der 100 ml Rundkolben ausreichend eintaucht. Die Wasserkühlung wird spätestens jetzt aufgedreht. Danach erst werden die Heizung fürs Wasserbad und der Magnetrührer aufgedreht. Die Mischung wird ca. 45 Minuten ab Sieden der Reaktionsmischung unter Rückfluss gekocht. Das Wasserbad soll dabei ebenfalls kochen (aber nicht zu stark). Das dabei verdampfte Wasser bei Bedarf nachfüllen. Nach der benötigten Zeit (länger kochen schadet nicht) wird der Magnetrührer samt Wasserbad wieder abgesenkt, damit der Rundkolben vollständig an der Luft abkühlen kann (ca. 5 Minuten bis der Rundkolben außen etwas über handwarm ist). Die Lösung muss trüb sein, ansonsten ist keine Phasentrennung möglich. 5

6 Abb. 3 Trennung: Der Scheidetrichter wird so in den Eisenring gehängt, dass die Spitze in die Öffnung des darunter stehenden Erlenmayerkolbens taucht (Abb. 3). Darauf achten, dass der Hahn zuerst noch geschlossen ist. Die trübe Lösung wird mittels eines Trichters langsam in die obere Öffnung des Scheidetrichters geleert. Man wartet, bis sich die Emulsion vollständig entmischt hat und eine eindeutige Phasengrenze zu sehen ist (mind. 5 Minuten). Die untere Phase (wässrig) besteht nun aus Glycerin und die obere (organische) aus Biodiesel. Nun lässt man zuerst die untere Phase vorsichtig durch Öffnen des Scheidetrichterhahns in einen tarierten Erlenmayerkolben (EK 1) ablaufen (Abb. 3, links rechts). Dabei darf kein Teil der oberen Phase mitgerissen werden!!! Anschließend wird die obere Phase in einen zweiten tarierten Erlenmayerkolben (EK 2) abgelassen. Von beiden Erlenmayerkolben wird das Gesamtgewicht und nach Abzug des Leergewichts der beiden EK die Auswaage bestimmt. Glycerin Auswaage Bruttogewicht Erlenmayerkolben (EK 1): Leergewicht Erlenmayerkolben (EK 1): Auswaage Glycerin: Rohausbeute Biodiesel Bruttogewicht Erlenmayerkolben (EK 2): Leergewicht Erlenmayerkolben (EK 2): Auswaage Biodiesel: 6

7 Abb. 4 Filtration: Der Erlenmayerkolben, in dem sich der Rohbiodiesel befindet, wird mit einem Löffel festem wasserfreien Natriumsulfat versetzt und umgeschwenkt. Es wird so lange Na 2 SO 4 zugegeben, bis sich die Lösung völlig klärt und das Na 2 SO 4 bei der Zugabe nicht mehr klumpt. Dabei wird das bei der Extraktion unvermeidlich mitgerissene Wasser vollständig entfernt (durch das Na 2 SO 4 gebunden). Der Erlenmayerkolben wird ca. 5 Minuten auf die Seite gestellt. Der Glastrichter wird so in den Eisenring gehängt, dass die Spitze in die Öffnung des darunter stehenden Rollrandglases taucht (Abb. 4). Das Filterpapier (es empfiehlt sich ein sog. Faltenfilter) wird in den Glastrichter gelegt. Die nun getrocknete Lösung wird durch den Faltenfilter in das tarierte Rollrandglas abfiltriert (Abb. 4). Das nun feuchte Na 2 SO 4 soll dabei mit in den Filter überführt werden. Damit erhalten Sie getrockneten Biodiesel. Ausbeute Biodiesel Bruttogewicht Rollrandglas: Leergewicht Rollrandglas: Auswaage Biodiesel: Aus zeitlichen Gründen wird von einem Refining (Reinigung) des Biodiesels abgesehen, Sie halten also sog. crude Biodiesel in Händen. 7