Оптимизация бамии (Abelmoschus esculentus) производство биодизеля с использованием технологии RSM в сочетании с GA: решение проблемы его производительности и характеристик выбросов

Настоящее исследование посвящено производству биодизеля из отходов бамии (Abelmoschus esculentus) растительного масла путем оптимизации параметров процесса с использованием методологии поверхности отклика в сочетании с генетическим алгоритмом (ГА). Центральная составная конструкция создает порядок выполнения эксперимента для процесса переэтерификации. Целевая функция уравнения регрессии была оптимизирована с помощью ГА, и она достигает максимального выхода 90,17% биодизельного топлива из масла семян бамии (OSOB) для молярного соотношения метанол/масло 30:1, температуры реакции 70 °C и концентрации катализатора 4,5 мас.%. . Затем были проанализированы характеристики OSOB и оценены теплофизические свойства в соответствии со стандартом ASTM D6751. Произведенный OSOB смешивался в различных пропорциях, таких как 20%, 40%, 60% и 80% с чистым дизельным топливом соответственно. Эксплуатационные и эмиссионные характеристики приготовленных смесей OSOB были исследованы в дизельном двигателе. При выходной мощности двигателя 5,2 кВт смесь OSOB20 демонстрирует улучшенные характеристики двигателя при более высоком тепловом КПД тормозов (32,69%), снижении как удельного расхода топлива при торможении (0,25 кг/кВтч), так и температуры выхлопных газов (321 °C) соответственно.Кроме того, смесь OSOB20, следовательно, улучшает характеристики сгорания по давлению в цилиндре и скорости тепловыделения по сравнению с другими смесями OSOB. Анализ выбросов показал, что смесь OSOB20 выделяет меньше углеводородов (15,94%), моноксида углерода (22,2%) и непрозрачности дыма (15,62%), чем чистый OSOB. Однако выброс оксида азота для OSOB20 был на 2,52% меньше, чем у чистого дизельного топлива. На основании полученных результатов смесь OSOB20 была предложена в качестве подходящей замены стандартному дизельному топливу в дизельных двигателях.

графическая абстракция

Введение

В современную эпоху более 931 млн тонн основных сельскохозяйственных культур ежегодно отправляется в мусор, что составляет почти 10% выбросов парниковых газов (Viswanathan et al., 2020). В то же время население, индустриализация, транспорт значительно увеличились, и для удовлетворения потребностей требуется огромное количество энергии. Рост потребления энергии показал, что невозобновляемые энергетические ресурсы являются ограниченным источником энергии, который будет постепенно сокращаться (Singh et al., 2020), и поэтому поиск возобновляемых и устойчивых источников является неотложной задачей для обеспечения того, чтобы энергия распространение для будущего развития. Среди возобновляемых источников энергии биодизель является одним из новых и экономически надежных альтернативных ресурсов благодаря нулевому содержанию серы и хорошим смазывающим свойствам (Tuan, 2021). Как сообщается, несъедобные семена, отходы пищевых культур и органические отходы являются основным сырьем для синтеза биотоплива второго поколения (Balasubramanian et al., 2021).

Vision 2030 фокусируется на более экологичных технологиях преобразования отходов в энергию. Таким образом, метод производства энергии из отходов улучшит рост экономики при одновременном минимизации уровня загрязнения (Hameed et al., 2021).Как уже говорилось, отходы на биологической основе, которые в основном состоят из углеводов, липидов и белков (Gad et al., 2021), могут быть использованы для производства биотоплива. Для производства биодизельного топлива масло, полученное в результате физико-химической конверсии отходов биомассы, может быть переэтерифицировано в биодизельное топливо в присутствии метанола/катализатора, а глицерин будет получен в качестве вторичного побочного продукта (Atabani and Al-Rubaye, 2022). В процессе переэтерификации выход биодизеля был улучшен за счет оптимизации параметров обработки, таких как соотношение метанол/масло, концентрация, температура и время реакции и т. д. Исходя из вышеприведенного исследования, необходимо разработать метод, направленный на минимизацию экспериментальных циклов. для оптимизации параметров процесса производства биодизельного топлива, в котором методология поверхности отклика (RSM) в сочетании с GA оказалась современным и высокоэффективным подходом (Kumar et al., 2022).

Кусумо и др. (2017) исследовали, что производство биодизеля из Сейба пентандра масла по методике РСМ. В их результатах максимальный выход 99,8% был достигнут с помощью метода переэтерификации для оптимизированных условий катализатора KOH (1% масс.), рабочей температуры (60 °C), общего времени реакции (180 мин), отношения метанола к маслу. (10:1) и скорость перемешивания (1100 об/мин). Пали и др. (2020) работали над производством биодизеля из Шлейхера Олеоса растительного масла с использованием щелочного катализатора в процессе переэтерификации. Они получили самый высокий выход биодизеля S. Oleosa 98,72% при оптимальных условиях температуры 61 ° C, молярного отношения метанола к маслу 9: 1 и 1 мас.% от массы катализатора за 117 минут реакции. Точно так же, используя щелочной катализатор (0,51%), температуру реакции (59 °C) и молярное соотношение метанол/нефть (5,9:1) в качестве оптимальных параметров, максимальный выход 98% биодизеля был получен из льняного семени масла в процессе переэтерификации, Ahmad et al., 2019.В таблице 1 перечислены несколько исследовательских статей, в которых реализован метод RSM-центрального композитного дизайна (CCD) для оптимизации параметров производства биодизельного топлива и достижения максимального выхода в процессе переэтерификации для различных видов сырья второго поколения.

В следующих результатах исследований обсуждалось комбинированное влияние RSM и GA на оптимизацию производства биодизельного топлива. Файязи и др. (2015) применили RSM и GA для оптимизации параметров производства биодизеля из куриного жира в процессе переэтерификации. Они получили максимальный выход биодизеля 94,8% за счет оптимальных параметров: 1% массы катализатора, молярного соотношения метанол/масло 7:1 и времени реакции 9 минут соответственно. Эта оптимизация экономит 12,5% времени реакции по сравнению с обычным методом. Аналогичным образом, используя в качестве входных факторов оптимальные параметры загрузки катализатора (8,82 мас. %), молярного соотношения метанол/масло (16,79:1) и температуры переэтерификации (65,12 °С), максимальный выход 99,15% биодизеля был получен из пальмового масла. нефти с использованием оптимизатора GA Ning et al., (2021). Был сделан вывод, что оба результата указывают на значительное улучшение выхода биодизельного топлива при оптимальных рабочих условиях с помощью методов оптимизации RSM и GA. Хайра и др. (2015) представили, что инструменты RSM и GA предназначены для оптимизации производства биодизеля из солевого масла методом переэтерификации. Они достигли максимального выхода биодизельного топлива на основе солевого масла 97,46% при оптимальных рабочих параметрах (молярное соотношение метанол/масло 12:1, время реакции 376,41 мин, масса катализатора 8,37% и температура реакции 120 °C) с использованием ГА. Результаты RSM и GA были сопоставлены и дают одинаковые результаты, что обеспечивает эффективность методов оптимизации. Вышеуказанные выводы подтверждаются Esonye et al. (2022), которые оптимизировали параметры переэтерификации биодизеля из отходов куриного жира с помощью методов GA и RSM.Применяя инструмент GA, максимальный выход биодизеля 94,89% был достигнут при оптимальном времени реакции 50,21 мин, рабочей температуре 50,20 °C, молярном соотношении метанол/жир 6,9:1 и доле катализатора 0,78 мас.% соответственно. Выход биодизеля, полученный с помощью GA, на 2,36% выше, чем у RSM в той же рабочей среде.

Оптимизированные смеси биодизеля/дизеля использовались для оценки характеристик дизельного двигателя. В связи с этим Yatish et al. (2018) сообщили, что биодизельное топливо, полученное из масла баухинии пестрой, и его влияние на параметры дизельного двигателя. Смесь B30 обеспечивает более близкие рабочие характеристики двигателя и характеристики сгорания по сравнению с другими тестовыми смесями. Смесь B30 снижает содержание оксида углерода (CO) на 47,06% и углеводородов (HC) на 30,23%, тогда как выбросы оксида азота (NO) увеличиваются на 20% по сравнению с дизельным топливом. Вишал и др. (2020) приготовили биодизель из масла семян каучука и проанализировали характеристики его двигателя. Приготовленное биодизельное топливо из семян каучука смешивали с дизельным топливом в пропорциях 10% и 20% по объему, используемых для испытаний двигателя. Смесь B10 показывает, что удельный расход топлива тормозов (BSFC) и термическая эффективность тормозов (BTE) ближе к дизельному топливу. Уровни выбросов B10 ниже, чем у B20 и чистого дизельного топлива соответственно. Арумугам и Санкаранараянан (2020) проанализировали, что характеристики дизельного двигателя с использованием Калофиллум инофиллум биодизельные смеси. Смесь B10 показывает небольшое увеличение BSFC и снижение BTE для всех условий нагрузки. Между тем, наблюдается тенденция к снижению выбросов углеводородов, CO и увеличению выбросов NO для обеих смесей по сравнению с дизельным топливом. Ватерия индика биодизель и характеристики его смеси и характеристики выбросов были исследованы на дизельном двигателе Gowda et al. (2021). Они подготовили биодизель для испытаний двигателя и смешали с дизельным топливом в различных объемных пропорциях 10%, 20% и 30% соответственно.Смесь B10 показывает лучшую производительность двигателя и результаты сгорания. Кроме того, выбросы HC, CO и дыма уменьшаются за счет выбросов NO. Пуджа и др. (2021) сообщили, что характеристика дизельного двигателя с использованием Сейба пентандра масляная биодизельная смесь. Смесь для испытаний готовили на дизельном топливе с массовой долей 20%. Смесь B20 демонстрирует эффективную работу двигателя и снижение уровня выбросов на 8,4% для углеводородов, 5,08% для CO и 13,7% для CO.₂ по сравнению с чистым дизельным топливом. Рами Редди и др. (2021) исследовали параметры дизельного двигателя, работающего на 20 % биодизельного топлива из семян манго и на 80 % дизельной смеси при различных нагрузках двигателя. Приготовленная смесь B20 приводит к более близким характеристикам двигателя и более низким уровням выбросов HC, CO и дыма, чем стандартное дизельное топливо. Однако выбросы NO были немного увеличены в условиях полной нагрузки двигателя.

Основываясь на обзорах литературы, только ограниченное количество исследовательских статей было рассмотрено с использованием метода ГА для оптимизации уравнения регрессии при синтезе биодизеля из сырья второго поколения. В связи с этим настоящее исследование сосредоточено на производстве биодизельного топлива из зрелой/отходной бамии (Abelmoschus esculentus) семена. Потому что о производстве биодизеля из масла семян бамии пока не сообщалось о значительных исследованиях. Кроме того, нет никаких сомнений в том, что можно максимально увеличить выход биодизеля из бамии за счет оптимизации параметров производства с использованием технологии RSM в сочетании с ГА. В процессе переэтерификации влияние молярного соотношения метанол/масло, температуры реакции, концентрации катализатора и их взаимодействия на выход OSOB оценивали с использованием RSM с ​​методом CCD соответственно. Уравнение регрессии, полученное с помощью метода RSM-CCD для производства OSOB, было оптимизировано с использованием метода GA для достижения максимального выхода. Качество производимого топлива OSOB оценивали и сравнивали со стандартом ASTM D6751.Насколько известно автору, никто ранее не изучал влияние OSOB и его смеси на применение в дизельных двигателях. Другой новизной этой работы является рассмотрение потенциального использования смесей OSOB/дизельного топлива в характеристиках дизельного двигателя, что является дополнительной частью этой исследовательской работы. Для экспериментального анализа приготовленные ОСОБ смешивали с чистым дизельным топливом в различных объемных долях, а также анализировали их горюче-эксплуатационные характеристики при варьировании нагрузки двигателя. Кроме того, были зарегистрированы результаты регулируемых выбросов дизельного двигателя и сопоставлены со стандартным дизельным топливом.

Фрагменты раздела

материалы и методы

В этом разделе обсуждались процедура экстракции масла семян бамии и производство биодизеля. Впоследствии методы, указанные в стандартах ASTM, для измерения тестовых свойств топлива. Кроме того, разъяснено применение РСМ и ГА для оптимизации параметров процесса переэтерификации.

Экспериментальный дизайн и процедура испытаний

Экспериментальный анализ проводился с дизельным топливом и смесями OSOB в одноцилиндровом дизельном двигателе при различных режимах работы. Также обсуждались погрешности измерительных приборов.

Результаты и обсуждение

Обсуждались различные характеристики тестового топлива, влияние параметров процесса переэтерификации и результаты его оптимизации. Кроме того, в этом разделе было проанализировано влияние OSOB и его смесей на характеристики дизельного двигателя.

Выводы

В этом исследовании зрелые/отработанные семена бамии использовались в качестве биомассы для производства OSOB, а его технологические параметры были оптимизированы с использованием метода RSM в сочетании с GA. Впоследствии оптимизированные входные параметры были рассчитаны на максимальный выход OSOB, и их соответствующие эффекты были проанализированы в дизельном двигателе. Следующие результаты выделены на основе методов оптимизации и результатов экспериментов с дизельным двигателем. •

Процедура экстракции растворителем в экстракторе Сокслета позволила получить

Заявление об авторском вкладе CRediT

Раджайоккиам Манимаран: Концептуализация, методология, исследование, написание – первоначальный вариант. Мурти Венкатесан: Программное обеспечение, ресурсы. Куруба Тарун Кумар: Написание – обзор и редактирование.

Заявление о конкурирующих интересах

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.

Подтверждение

Авторы хотели бы выразить благодарность руководству SASTRA Deemed University, Thanjavur, Tamilnadu, India, за предоставление лабораторного оборудования и необходимую помощь в проведении этой исследовательской работы.