Sustainable production of biodiesel enabled by acid-base bifunctional ZnF2 via one-pot transformation of Koelreuteria integrifoliola oil: Process optimization, kinetics study and cost analysis

生物柴油 生物柴油生产 EN 14214标准 双功能 化学 酯交换 催化作用 响应面法 介孔材料 制浆造纸工业 化学工程 材料科学 有机化学 色谱法 工程类
作者
Baohong Zheng,Lin Ban,Yingxia Nie,Long Chen,Song Yang,Heng Zhang
出处
期刊:Journal of Cleaner Production [Elsevier]
卷期号:453: 142263-142263 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.jclepro.2024.142263
摘要

Against the backdrop of energy crisis and quest for carbon neutrality, efficient utilization of heterogeneous catalysts to facilitate one-pot conversion of low-quality nonedible oils into biodiesel, shows enormous promise for the reduction of carbon footprints and environmental pollution. In this study, an effective heterogeneous catalyst, acid-base bifunctional mesoporous ZnF2 (MP-ZnF2) was successfully fabricated for biodiesel synthesis from Koelreuteria integrifoliola oil (KIO, acid values of 8.26 mg KOH/g) via facile one-pot process. Meanwhile, systematic characterization showed the large specific surface area (62.9 m2/g), abundant mesoporous (12.15 nm), outstanding thermal stability, and plentiful stable acid-base sites (1.22 and 0.56 mmol/g) of MP-ZnF2. Consequently, MP-ZnF2 achieved a high biodiesel yield of 97.15% under moderate conditions (103 °C, 6.2 h, 10.2 wt% catalyst dosages, 29:1 MeOH/KIO molar ratio) optimized by response surface methodology (RSM). More importantly, through the kinetic investigation, a low activation energy of 49.24 kJ/mol explained the reason for its high activity, and the possible reaction mechanism of (trans)esterification was also proposed. In addition, MP-ZnF2 demonstrated satisfactory reusability (6th cycle, >90%), water resistance (8 wt% water content, 89.25%), and versatility (all yields >90%). According to cost analysis, the price of biodiesel in this work was about 0.64 $/kg. Notably, the as-prepared biodiesel conformed to ASTM D6751 and EN 14214 standards, indicating great application prospects. It was demonstrated that one-pot transformation of KIO into biodiesel using acid-base bifunctional MP-ZnF2 contributes to the sustainable development of clean energy.
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