Hidrocraqueo catalítico de aceite de jatrofa sobre arcilla natural para bio

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13419 (2023) Citar este artículo

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Actualmente, la conversión de biomasa para producir biocombustibles de alto valor, como el biodiésel y el biocombustible para aviones, ha suscitado un gran interés, cuando su uso para la sustitución parcial de combustibles derivados del petróleo en diferentes proporciones es una solución prometedora debido al problema del agotamiento de las reservas de petróleo y a los problemas medioambientales. propósitos. El aceite de jatrofa no comestible se puede transformar en biocombustible cuando se somete a hidrocraqueo a presión de hidrógeno utilizando una arcilla natural activada como catalizador en un reactor discontinuo de alta presión. El tipo de producto y su calidad y cantidad dependen de las condiciones del proceso, como el tiempo de reacción, la temperatura y el tipo, forma y cantidad del catalizador. El presente trabajo tiene como objetivo estudiar el proceso de hidrocraqueo del aceite de Jatropha en diferentes condiciones de operación. El catalizador se caracteriza mediante SEM, FTIR, XRF y XRD. Se ha estudiado y discutido el efecto de la variación de las condiciones del proceso. Los resultados mostraron que el mayor rendimiento de 40 % de biocombustible para aviones se logró a una temperatura de 350 °C, una presión de H2 de 4 bar y un tiempo de reacción de 18 min. Los productos de combustible para biorreactores se probaron y sus especificaciones se ajustaron a las especificaciones ASTM D1655, a saber, el punto de congelación (-56 °C), el punto de inflamación (53 °C) y el contenido de goma existente (5,9 mg/100 ml).

Varios desafíos enfrentan la demanda y oferta de energía en el mundo. El aumento del consumo de combustibles derivados del petróleo en todo el mundo afecta las reservas de combustibles fósiles. El consumo total diario mundial de petróleo alcanzó los 99,56 millones de barriles en 2022. Las reservas estimadas de petróleo se agotarán en menos de cincuenta años, al ritmo de consumo actual del 2,7% anual 1,2. Además, las emisiones que se generan por la quema de combustibles fósiles contribuyen en gran medida al calentamiento global y la contaminación ambiental3,4,5. La conciencia ambiental, el agotamiento de los combustibles fósiles y el aumento del consumo y el precio de la energía son los principales factores que llevan a la búsqueda de recursos energéticos alternativos para sustituir los combustibles fósiles4,6,7,8.

Las fuentes de energía renovables disminuyen el efecto de los gases de efecto invernadero y son superiores a los combustibles fósiles con respecto a sus menores emisiones de SOx, CO y CO29. Las tecnologías representativas de fuentes de energía renovables incluyen pilas de combustible, energía hidroeléctrica, energía solar, energía geotérmica, energía eólica, biocombustibles y producción de hidrógeno10,11.

El biocombustible para aviones es una de las fuentes más importantes de energía renovable y verde que se espera que reemplace gradualmente a los combustibles fósiles en un futuro próximo con mayores proporciones de mezcla. Se prevé que alcance el 25% en 2020, el 30% en 2030 y el 50% en 205012,13,14,15. Los biocombustibles se pueden producir a partir de varias materias primas agrícolas, mediante diferentes métodos de producción dependiendo de los productos finales y la materia prima requeridos16. Se trata principalmente de aceites vegetales y biomasa. Las materias primas a base de aceites vegetales incluyen aceites comestibles y no comestibles, aceite de cocina usado, jatrofa, jojoba, colza, ricino y aceite de microalgas. La materia prima de biomasa incluye materiales de desecho, biomasa acuática, cultivos energéticos y productos forestales 9,10,14,17.

Jatropha curcas parece ser la mejor planta para utilizar en la producción de biocombustibles de segunda generación, que son combustibles elaborados a partir de materias primas de cultivos no alimentarios y residuos agrícolas o forestales18. J. curcas se puede cultivar en zonas improductivas y marginales. Dado que J. curcas crece en suelos degradados y no compite con la producción agrícola como materia prima no alimentaria, su cultivo para la producción de biodiesel no resulta en un cambio en el uso de la tierra. Se puede plantar en el desierto o a lo largo de los límites de los campos de los agricultores, el costo de la plantación se incurre en gran medida durante el primer año y el material de siembra mejorado puede marcar una gran diferencia en el rendimiento, el cultivo de la planta de jatrofa y su mantenimiento crean puestos de trabajo. La productividad anual de las semillas de jatrofa en Egipto es de aproximadamente 1,36 toneladas/alimento en el primer año y 3,4 toneladas/alimento en el tercer año, irrigadas con 6000 m3/alimentado/año de aguas residuales municipales tratadas primariamente19. Un subproducto de la extracción de aceite, como la torta de semillas, se puede convertir en abono para crear fertilizante orgánico, que luego se puede utilizar como abono orgánico20. Esto podría reducir las emisiones de N2O provocadas por los fertilizantes que contienen nitrógeno. Por último, pero no menos importante, J. curcas puede presentar una oportunidad para que los países en desarrollo se beneficien de la creciente demanda de biocombustibles21. La planta Jatropha curcas L. es robusta, resistente a plagas y sequías, y no comestible para los animales. Se cultiva principalmente en países tropicales como seto para proteger la agricultura del ganado vacuno, ovino y caprino.

Los procesos de producción de biocombustibles varían entre craqueo catalítico, pirólisis, transesterificación y fermentación18. Utilizando el catalizador adecuado, el hidrocraqueo es una de las mejores rutas para producir biocombustibles a partir de aceites. Esto se debe a muchas razones, en primer lugar, el rango de temperatura de operación del hidrocraqueo catalítico de (350–450 °C) es más bajo que las temperaturas de pirólisis de (500–850 °C), además, la elección de la materia prima utilizada en la pirólisis juega un papel importante en la calidad del producto final. En segundo lugar, el tiempo de reacción del proceso de hidrocraqueo catalítico es mucho más corto que el requerido en el proceso de fermentación. La producción de etanol mediante fermentación requiere procesos de pretratamiento como sacarificación e hidrólisis. Finalmente, el hidrocraqueo catalítico puede producir varias fracciones de cortes de petróleo como gasolina, queroseno, diesel y mazot en comparación con el método de transesterificación que produce solo biodiesel19,20,21.

El bioqueroseno o biocombustible para aviones, utilizado principalmente en el transporte aéreo, es un tipo de biocombustible que tiene las mismas características que el combustible para aviones según la norma ASTM D1655 y contiene los mismos componentes. Hay dos tipos de combustible para aviones: el combustible para aviación civil (Jet A, Jet A-1, Jet B) y el combustible para aviones militares” (JP.1- JP.10, JPTS, Zip fuel, Syntroleum)9,13,14. Estos se producen mediante diferentes procesos basados ​​en la materia prima, que podría ser gas, azúcar, alcohol o petróleo22. El proceso de hidrocraqueo catalítico se considera la mejor opción para convertir aceite vegetal en combustible para biorreactores en un solo paso15.

El hidrocraqueo catalítico de “aceites comestibles y no comestibles” exige el desarrollo de catalizadores de craqueo apropiados y la selección de reactores adecuados para la producción de combustible para biorreactores23,24,25. El tamaño de los poros, la acidez y la forma afectan las características del catalizador. Existen varios tipos de catalizadores, incluidos los macroporosos (sílice-alúmina y alúmina), mesoporosos (MCM-41 y SBA-15), microporosos (zeolita) y materiales compuestos microporosos-mesoporosos. 10,19,26, Ni/ZSM-5 27, Ni–Mo/Al2O3 28, CoMo/Al2O3, Ni-HZSM-5/SBA-15 (Weng et al., 2015) y Ni–W/SiO2–Al2O3 , catalizador PdNi/HZSM-5 29, zeolita modificada con K ZSM-530, NiMo/SA-2 y NiMo/Z-10, CoMo/MCM-41 (Ooi et al.), catalizadores de CoMo soportados por alúmina mesoporosa31, Ni /SAPO-11 (Zuo et al.), Ni/H-Beta28 y ZSM-5-Zn32.

El proceso de reacción catalítica en catálisis heterogénea se desarrolla de la siguiente manera33: difusión del reactivo superficial, adsorción dentro de la superficie del catalizador, difusión de productos del reactivo superficial, desorción de productos de la superficie y difusión del reactivo superficial lejos de la superficie34.

El objetivo de este trabajo es la producción de biocombustible para aviones mediante hidrocraqueo de aceite de Jatropha mediante el uso de catalizadores inorgánicos preparados de bajo costo a partir de arcilla natural para disminuir el precio de la producción de biocombustibles. Para lograr los objetivos económicos, medioambientales y también para lograr un desarrollo sostenible se ahorran fuentes de materias primas para las generaciones futuras. Se realizará la caracterización del catalizador y se evaluarán los productos de reacción para la arcilla natural modificada como catalizador. La comparación entre el combustible para aviones convencional y el combustible para aviones biológicos producido se realizará mediante análisis químicos y físicos para verificar la conformidad del combustible para aviones biológicos con las especificaciones ASTM D1655.

Las semillas de Jatropha Curcas se obtuvieron del Ministerio de Agricultura. La jatrofa se cultivó con éxito en Egipto y se puede cultivar en tierras áridas y utilizando aguas residuales municipales tratadas primariamente, en muchos lugares de Egipto. El aceite de jatrofa se extrae en el Centro Nacional de Investigación de Egipto.

El catalizador utilizado es la bentonita B egipcia que se obtuvo de Borg El Arab, Alejandría, Egipto. Proviene de canteras egipcias y se utiliza en la fabricación de cerámica, alfarería y artesanía.

El ácido clorhídrico HCl se adquirió de Sigma – Aldrich laborchemikalien GmbH Company, Alemania, para la preparación del catalizador en una concentración del 37 %.

El aceite de Jatropha se extrae utilizando hexano de semillas de Jatropha trituradas. La extracción se realizó en un aparato Soxhlet a 60-70 °C. La proporción en volumen de hexano a semillas de Jatropha fue de 5:1. El hexano se separa y se recupera de la mezcla de extracción mediante destilación al vacío a 40 °C. El rendimiento del aceite extraído es aproximadamente del 25% del peso de las semillas molidas. La Tabla 1 resume las propiedades físicas y químicas del aceite de Jatropha, mientras que la Tabla 2 representa su perfil de ácidos grasos.

La preparación y modificaciones del catalizador que se producen y utilizan en el hidrocraqueo catalítico del petróleo dependen de muchos estudios e investigaciones previos para agregar valor al uso de arcilla de tierra mineral en una amplia gama de aplicaciones industriales19,35,36. El catalizador se prepara añadiendo 50 g de arcilla bentonita (B) a 500 ml preparados de HCl 0,1 M y la mezcla se calienta a 110 °C en un matraz redondo conectado a un condensador, durante 4 h. La suspensión de arcilla de bentonita resultante se enfría rápidamente con 500 ml de agua destilada helada. Después de apagar, el medio de suspensión se filtró y se lavó varias veces usando agua destilada hasta que el agua de lavado eliminó los iones cloruro Cl-1. Luego la arcilla modificada se seca en un horno a 110 °C y luego se calcina a 550 °C durante 4 h. Luego, la pasta seca se muele hasta obtener forma de polvo.

Los análisis de espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF) se llevaron a cabo en un espectrómetro secuencial de dispersión de longitud de onda (WD-XRF) AXIOS, panalytical 2005. Las pruebas de difracción de rayos X (DRX) para confirmar la estructura cristalina se llevaron a cabo con los siguientes ajustes: Goniómetro = Theta/Theta; Tamaño de paso mínimo 2 Theta: 0,0001; Tamaño de paso mínimo Omega: 0,0001, Etapa de muestra = Etapa para muestras planas /soportes, sistema difractómetro = EMPYREAN y material del ánodo: Cu. Los escaneos se realizaron a 2θ = 4–80°.

El análisis de espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR) se realizó utilizando el espectro infrarrojo Origin Jasco (FT/IR-6100 tipo A) en el rango de número de ondas de 4000 a 399 cm-1.

El área de superficie de los catalizadores inorgánicos y las materias primas se estudió utilizando la versión 1.21 de Quanta Chrome TouchWin™ para determinar el área de superficie de Brunauer, Emmett y Teller (BET). Antes de los experimentos, todas las muestras de material se desgasificaron a 200 °C durante 6 h. El área superficial específica "BET" se estimó a partir de la parte lineal de la curva de adsorción.

Los volúmenes totales de poros de los micro y mesoporos se obtuvieron directamente de la adsorción de nitrógeno en P/PO alrededor de (0,1–0,98)". "La distribución del diámetro de los poros se calculó a partir de la rama de desorción utilizando" "Barret Joyner Haleda, fórmula BJH37,38, 39". Es importante garantizar que la pureza del adsorbente no sea inferior al 99,999%. Además, la precisión de los resultados depende de una cuidadosa preparación y muestreo del adsorbente40.

Las especificaciones del catalizador producido se muestran en las Tablas 3 y 4, que ilustran el análisis XRF y las propiedades del área superficial BET. Patrón XRD, espectroscopía infrarroja con transformadas de Fourier; FTIR y la isoterma de adsorción-desorción del catalizador crudo y tratado se muestran en las Figs. 1, 2, 3 respectivamente.

Patrón XRD del catalizador crudo (B) y modificado (MB).

Patrón FTIR de B y MB.

Isoterma de adsorción-desorción de B y MB.

Es obvio a partir de XRF en la Tabla 3 que SiO2 y Al2O3 son los componentes principales de todas las materias primas y catalizadores preparados, con trazas de otros óxidos metálicos. El efecto del ácido clorhídrico sobre las materias primas es aumentar el contenido de sílice y disminuir la abundancia de óxidos metálicos como los cationes CaO, Na2O, Fe2O3, MnO, Ca2+, Na+. Se ve que en XRD (Fig. 2), existen modificaciones en los picos de arcilla tras el tratamiento con HCl. Los picos ilustran la intensidad y el ancho del catalizador, que son casi los mismos que los de las materias primas puras. Esto indica preservación estructural. La severidad máxima es un índice del grado de estructura laminar retenida por la arcilla35,41.

La arcilla egipcia contiene bandas como se ve en FTIR Fig. 1 que indican el estiramiento H – O – H del agua absorbida, el estiramiento C – H y el estiramiento OH, y la hidratación de los minerales arcillosos, respectivamente. El catalizador MB preparado muestra una banda debido al estiramiento H – O – H del agua absorbida, estiramiento C – H, estiramiento OH hidratación, estiramiento Si – O y flexión Si – O – Si 35,41. Se observa en la Tabla 4 que los catalizadores preparados tienen un tamaño de poro aumentado y un amplio rango de distribución. Esto indica una buena distribución de los reactivos durante el proceso catalítico. Las curvas isotérmicas de adsorción-desorción de los catalizadores preparados se muestran en la Fig. 3. Se ve que los catalizadores modificados tienen una mayor capacidad de adsorber los reactivos en su superficie y una mayor desorción de productos de la superficie del catalizador.

El hidrocraqueo catalítico se implementó de la siguiente manera: se cargan 100 g de aceite de Jatropha filtrado en un reactor discontinuo de acero inoxidable, de alta presión y alta temperatura (450 ml). El catalizador preparado se añadió en diferentes proporciones en peso al aceite de Jatropha. Se comprime gas hidrógeno en el reactor para mantener una presión de 4 bares. La mezcla se calentó hasta alcanzar la temperatura requerida de 350 a 450 °C durante un intervalo de tiempo de 10 a 30 minutos. Luego, el producto recolectado se centrifugó para separar las partículas suspendidas de la mezcla de biocombustible producida. La mezcla de biocombustible se fraccionó en una unidad de destilación fraccionada de laboratorio para obtener biogasolina en un rango de temperatura de (60–170 °C), biocombustible para aviones en un rango de temperatura de (170–270 °C) y biodiesel a una temperatura rango de (270–330 °C), este proceso se presenta en un diagrama de flujo simplificado que se ilustra en la Fig. 4. El combustible para biorreactores producido después de la destilación fraccionada se presenta en la Fig. 5.

Diagrama de flujo de los pasos de producción de biocombustible para aviones en condiciones óptimas (350 °C, 18 min, 4 H2 bar y 4% MB).

Combustible para biorreactores producido en condiciones óptimas de reacción después de la destilación fraccionada (170–270 °C).

El biocombustible para aviones producido se caracteriza según las especificaciones ASTM D1655. Se miden las siguientes propiedades.

La columna capilar de sílice fundida ISQ Single Quadruple MS, TG-5 MS de Thermo Scientific (30 m, 0,251 mm, 0,1 mm de espesor de película) se utilizó en cromatografía de gases/espectrometría de masas (GC/MS) para determinar la composición del combustible del producto. Se empleó un dispositivo de ionización de electrones con una energía de ionización de 70 eV (electrones voltios) para la detección por GC/MS. Como gas portador se utiliza helio a un caudal constante de 1 ml/min. La temperatura del horno de columna se mantiene inicialmente a 60 °C, luego se aumenta en 5 °C/min hasta 200 °C, se mantiene durante 2 min y luego se aumenta hasta 280 °C (10 °C/min).

La mezcla de jet A-1 (queroseno) con un 5% de bio-jet producido a partir de aceite de jatropha se comparó con la del jet A-1 después de ser probada en un prototipo de motor a reacción (Jet-Cat 80/120).

El punto de congelación de las muestras de combustible para biorreactores se mide según las especificaciones ASTM D2386. Se colocan 15 ml de cada muestra en un tubo de vidrio y se colocan en nitrógeno líquido hasta que la muestra esté totalmente congelada. El punto de congelación se midió leyendo el punto indicador del termómetro. Esto ocurre cuando la lectura de temperatura se estabiliza en la última capa delgada de cristal en la mezcla sólido-líquido.

El punto de inflamación del combustible para biorreactores o de cualquier material volátil es la temperatura más baja a la que los vapores del líquido se encenderán en presencia de una fuente de ignición. El punto de inflamación es una propiedad descriptiva que se utiliza para distinguir los combustibles inflamables, la gasolina y los combustibles, como el diésel. Un combustible con un punto de inflamación inferior a 37,8 °C se denomina inflamable, mientras que los combustibles se denominan combustibles cuando la temperatura del punto de inflamación es superior a 37,8 °C.

De acuerdo con la especificación ASTM D2887, el PROBADOR DE PUNTO DE INFLAMACIÓN PENSKY MARTENS se utiliza para estimar el punto de inflamación del combustible para biorreactores. La muestra está contenida en una copa abierta/cerrada que se calienta a diferentes velocidades. Se coloca una llama sobre la superficie del líquido a una altura suficiente y la copa se abre con cada grado de aumento de temperatura hasta el momento de la ignición de los vapores.

La viscosidad es una propiedad que se utiliza para medir la resistencia de un fluido específico a fluir. La muestra se mide con un viscosímetro de laboratorio “DV-II + Pro” que determina la viscosidad de un fluido específico mediante un esfuerzo cortante determinado y velocidades de corte dependiendo de la temperatura específica del líquido y un motor de accionamiento con diferentes rpm.

La densidad de los fluidos se mide mediante hidrómetros. Se trata de un cuerpo flotante de laboratorio fabricado a partir de un material de vidrio que contiene un vástago cilíndrico y un bulbo cargado con un peso metálico. Dependiendo de la profundidad a la que se sumerge la muestra, el valor de densidad se determina directamente mediante la escala de lectura situada en la parte superior del cuerpo de vidrio con sus unidades de medida.

Según ASTM D-381, el contenido de goma existente en el combustible para aviones no debe exceder los 7 mg/100 ml12. La prueba se llevó a cabo en el laboratorio de Misr Petroleum Company, en Ghamra, Egipto. Los valores de goma se estiman para la mezcla del 5% vol. combustible bio-jet con Jet A-1.

“El presente estudio cumple con los lineamientos internacionales, nacionales o institucionales”.

El proceso de combustible para biorreactores se ve afectado por muchas condiciones operativas, como la temperatura, el tiempo de reacción, los tipos de catalizador, la relación catalizador-aceite, etc. Las tablas 5 y 6 muestran que a la temperatura de reacción del craqueo hidrocatalítico de 350 °C, la reacción es exotérmica. Para las mismas condiciones de reacción de 18 min, 350 °C y 4 bar H2, se agregaron diferentes porcentajes de catalizador MB: 1%, 2%, 3%, 4% para producir combustible para biorreactores. La temperatura de la mezcla de reacción se eleva a aproximadamente (100 ± 10 °C), la temperatura más alta alcanzada fue 452 °C cuando se usó catalizador de MB al 4 % y la temperatura más baja alcanzada fue 420 °C cuando se usó catalizador de MB al 1 %.

La presión constante de entrada de hidrógeno de 4 bares se utiliza durante la reacción para saturar los dobles enlaces y ayuda a que se produzcan todas las reacciones de craqueo. La presión constante más alta alcanzada en el reactor discontinuo fue de 80 bar cuando se usó 4% MB a los 18 min y la presión más baja de 65 bar se alcanzó en caso de que no se usara catalizador en el mismo tiempo de reacción de 18 min.

La presión durante el sistema de reacción es un indicador de la calidad del producto y de un buen logro de la reacción de craqueo. Los gases no condensables que se producen en la reacción, después del enfriamiento, provocan un aumento de 4 a 20 bares. Estos son dióxido de carbono, monoóxidos de carbono y compuestos alifáticos C1-C4.

Los resultados de estos experimentos se muestran en la Tabla 6 y la Fig. 6. Se ve que el rendimiento de la producción de combustible para biorreactores aumentó con el aumento del porcentaje de MB. El 4% de MB dio el mejor rendimiento seguido del 3% de MB (40% y 39,74% de biocombustible para aviones) y el rendimiento más bajo se observó cuando se utilizó 1% de MB y 2% de MB (33% y 33,76% de biocombustible para aviones). respectivamente. Cuando no se utilizó ningún catalizador, se obtuvo un rendimiento de combustible para biorreactores del 33,8%. El rendimiento óptimo (40%) se obtuvo usando MB a 18 min y 4% de catalizador.

Efecto de la relación catalizador-aceite sobre el rendimiento de la producción de combustible para biorreactores.

En las mismas condiciones de 350 °C, 4 bar H2, catalizador MB se utilizó en el craqueo hidrocatalítico del aceite de Jatropha en diferentes tiempos (10 a 30 min) para producir biocombustible para aviones, cuyas especificaciones se muestran en las tablas. 5, 6 y Figs. 7. En la Fig. 7 se ve que el tiempo de reacción tiene un efecto pronunciado en el rendimiento del producto, especialmente en el corte de combustible para biorreactores. Se realizaron tres experimentos de laboratorio utilizando catalizador MB al 2%, a 350 °C, y durante tres tiempos diferentes de 10, 20 y 30 min, se observó que la presión de reacción aumentó de 40 a 80 bar y el rendimiento de combustible para biorreactores aumentó. durante el proceso con el tiempo de reacción dentro del reactor. Esto se atribuye a la finalización de la reacción de craqueo de cadenas de carbono largas y pesadas en cadenas más pequeñas para producir el corte de combustible para aviones. El rendimiento más alto del 38 % fue a los 30 min y el rendimiento más bajo del 18,3 % fue a los 10 min.

Efecto del tiempo sobre el rendimiento de la producción de combustible para biorreactores.

Para categorizar los hidrocarburos contenidos en la materia prima del producto, se examinó la formación de alcanos, cicloalcanos, isoalcanos y alquilbenceno durante el craqueo catalítico térmico del aceite de jatrofa. La mezcla de hidrocarburos contenía n-parafina, isoparafina, cicloparafina, olefinas y aromáticos, según los resultados. Se determina que la longitud óptima típica de carbono de C8-C16 en el combustible para aviones está entre el 70 y el 85%. Según la Fig. 8, el rendimiento total del contenido de parafina en el biocombustible de aviación desarrollado fue cercano al 83%. La mayoría de las iso y cicloparafinas, incluidas el metildecano, el alquil ciclohexano y el iso octano (2,2,4-trimetilpentano), tienen una o dos cadenas ramificadas de alcanos, según los datos de los espectros de masas GC. Esto (57,01%) concuerda con la literatura 42.

GC % en masa de diferentes hidrocarburos en longitud de carbono C8-C16 del combustible para biorreactores.

Curiosamente, las olefinas innecesarias obtenidas están cercanas al mínimo (5% en peso) como en el combustible para aviones ideal. La mayoría de las isocicloparafinas tienen una o dos ramificaciones como metildecano y alcanos de cadena lineal o cicloalcanos de cadena ramificada como isooctano, según datos de GC/espectros de masas.

En comparación con el isooctano (un alcano ramificado), moléculas como el metildecano (una isoparafina) son sustancialmente más frecuentes en el componente del combustible para aviones. El componente más caro y difícil de obtener del combustible para aviones, la isoparafina, se encontró en buena concentración en el biocombustible de aviación que se había fabricado. Debido a que un aumento en la ramificación disminuye el punto de ignición del combustible, la cantidad de alcanos ramificados tiene un impacto significativo en la pureza del combustible43.

Cuando se compararon las especificaciones del 5% de biocombustible para aviones producido a partir de una mezcla de aceite de jatrofa con jet A-1 con los estándares de la industria, los resultados estuvieron dentro del rango requerido (Tabla 7). El experimento demostró que el empuje producido al utilizar una mezcla del 5% es razonablemente consistente con el chorro A-1. Según la Fig. 9, los puntos rojos muestran los diferentes empujes de la mezcla de queroseno para aviones y 5% de bio-jet que se obtuvieron en este trabajo en varios momentos durante el experimento de prueba. Esto demuestra que la mezcla de bio-jet tiene valores de empuje más altos que el queroseno de petróleo puro. Los puntos azules muestran los distintos empujes del combustible para aviones (queroseno para aviones).

Resultados de la prueba de empuje para una mezcla del 5% de bio-jet y jet A-1.

La densidad del combustible para biorreactores obtenido después de la destilación se muestra en la Tabla 7 y estuvo en el rango de 0,8241 a 0,8345 g/ml a 15 °C. Esto cumple con las especificaciones ASTM D1655 de rango de 0,775 a 0,84 g/ml.

El punto de congelación es uno de los métodos más importantes para probar productos de combustible de aviación. A medida que el avión asciende, las temperaturas en el tanque de combustible y en las líneas pueden bajar. Si la temperatura de los tanques y líneas cae por debajo del punto de congelación del combustible, esto impedirá el flujo del combustible y cerrará el filtro. Esto hará que el motor muera de hambre y se apague. La Tabla 7 también proporciona los valores del punto de congelación del biocombustible para aviones producido. Oscila entre −52 °C y −56 °C y es comparable con el valor máximo ASTM D2386 de −47 °C.

Las normas de transporte distinguen el combustible como inflamable o combustible, dependiendo del punto de ignición midiendo el punto de inflamación del combustible. El punto de inflamación de los combustibles para biorreactores producidos, de 53 °C, está muy por encima del valor ASTM D2887 de 38 °C.

El contenido máximo de goma según lo especificado por ASTM D-381 es 7 mg/100 ml; el alto contenido de goma puede causar depósitos en el sistema de inducción y pegado de las válvulas de admisión. La Tabla 7 también presenta el contenido de goma de una mezcla del 5% del biocombustible para aviones producido con un 95% de A-1 para aviones. El contenido de goma está por debajo del rango especificado por ASTM D-381. Los resultados se obtuvieron utilizando el catalizador (MB) y sin utilizar catalizador. Ambos produjeron el contenido de goma más bajo de 5,9 mg/100 ml y 6,4 mg/100 ml respectivamente.

Las modificaciones ácidas que se aplicaron a la arcilla natural para generar actividad catalítica son HCl 0,1 M, calentado a 110 °C, durante 4 h, calcinación a 550 °C durante 4 h.

El catalizador (MB) se caracterizó física y químicamente mediante XRF, XRD, FTIR y BET.

El catalizador se utilizó en la producción de combustible para biorreactores mediante hidrocraqueo catalítico de aceite de Jatropha en diferentes condiciones de proceso, como variación porcentual del catalizador (1–4%) y tiempo de reacción (10, 20 y 30 min), obteniéndose el funcionamiento óptimo. Las condiciones son 350 °C, 4 bar de H2, tiempo de reacción de 18 min y 4 % de catalizador.

La mezcla de biocombustibles obtenida de la reacción se separó según su punto de ebullición mediante destilación en cuatro fracciones: biogasolina (70–170 °C), biojet (170–270 °C), biodiesel (270–330 °C). y mazot. El rendimiento de combustible para biorreactores obtenido fue del 40% del producto total.

El combustible para biorreactores producido utilizando el catalizador (MB) fue probado y sus especificaciones cumplen con las especificaciones ASTM D1655 con respecto al punto de congelación (-56 °C), el punto de inflamación (53 °C) y el contenido de goma existente (5,9 mg/100ml).

Este resultado brindó un potencial prometedor en la fabricación de biocombustible para aviones a partir de aceite de jatrofa debido a fines económicos y ambientales, ya que tiene un costo menor que los aceites vegetales y es una forma ambientalmente positiva de utilizar una mezcla de biocombustible para aviones con jet A-1.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Gas de hidrogeno

La arcilla bentonita egipcia

Arcilla de bentonita modificada

Sociedad Americana para Pruebas y Materiales

fluorescencia de rayos X

Difracción de rayos X en polvo

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

Superficie de Brunauer, Emmett y Teller

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Los autores desean expresar su sincero agradecimiento al Centro Nacional de Investigación de Egipto por su inestimable apoyo durante el trabajo experimental y el análisis químico. Financiado por el Centro Nacional de Investigación número de premio (3/6/18).

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Centro Nacional de Investigación, número de premio (3/6/18), maestría becada de Sarah Hisham Hassan.

Departamento de Ingeniería Química y Planta Piloto, Centro Nacional de Investigación, Dokki, El Cairo, Egipto

SH Hassan, NK Attia, GI El Diwani y Sh. K. Amin

Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de El Cairo, Giza, Egipto

RS Ettouney y MA El-Rifai

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SH Redactar el artículo y realizar el trabajo experimental en la preparación de catalizadores y producción de biocombustibles, caracterizaciones de catalizadores y especificaciones de biocombustibles. GI Revisa el documento, interpreta los resultados de los biocombustibles y desarrolla el plan de trabajo. NK Participar en el trabajo experimental del combustible biojet, analizar los resultados de los datos y redactar y revisar el artículo. SK Interpretación de los resultados del catalizador, revise el artículo. MR y RS Revisan el artículo. “Todos los autores han leído y aprobado el manuscrito”, y aseguran que así sea.

Correspondencia a SH Hassan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hassan, SH, Attia, NK, El Diwani, GI et al. Hidrocraqueo catalítico de aceite de jatrofa sobre arcilla natural para la producción de combustible para biorreactores. Informe científico 13, 13419 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40500-2

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Recibido: 19 de mayo de 2023

Aceptado: 11 de agosto de 2023

Publicado: 17 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40500-2

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