Spinel-Structured Iron Oxides Used in Biofuel Production

Year 2023, Volume: 4 Issue: 2, 39 - 46, 08.12.2023

Gökhan Üresin , Gülden Gök

Abstract

The need for renewable energy is essential to address global energy issues such as climate change, limited fossil fuel resources, and energy security, and to redirect energy production in a more sustainable and environmentally friendly manner. In this context, vegetable oils used in biofuel production are considered one of the renewable energy sources offering a more environmentally friendly alternative to fossil fuels. This study examines the advantages and disadvantages of some methods used in the production of biofuels from vegetable oils. Research has shown that various methods, such as Transesterification (Methyl Ester Production), Hydrogenation, Pyrolysis, and Fermentation, are used to convert vegetable oils into biofuels. Among these, high-quality biofuel production is achieved through the hydrogenation method, but this method also comes with significant disadvantages such as the sensitive control of catalysts and high costs. The Transesterification method is generally considered a low-cost and simple process, but it requires additional purification of the products. In the processes of pyrolysis and fermentation, low-cost raw materials such as microorganisms are used, but the preprocessing requirement of these raw materials is a significant drawback. In the investigations, aluminate and ferrite compounds have been evaluated as catalysts, and it has been concluded that two or more metallic iron oxides among these compounds significantly enhance the biofuel conversion efficiency due to their facile redox reactions. This, in turn, is understood to be associated with surface area and production method. It has been observed that as the surface area increases, the overall conversion efficiency generally improves, and achieving a large surface area can be easily accomplished at low temperatures through methods such as hydrothermal.

Keywords

Biofuel, Metal oxide, Spinel structure, Iron oxide

Biyoyakıt Üretiminde Kullanılan Spinel Yapılı Demir Oksitler

Abstract

Yenilenebilir enerji ihtiyacı, iklim değişikliği, sınırlı fosil yakıt kaynakları ve enerji güvenliği gibi küresel enerji sorunlarına çözüm bulmak, enerji üretimini daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir şekilde yönlendirmek için gereklidir. Bu bağlamda, biyoyakıt üretiminde kullanılan bitkisel yağlar, fosil yakıtlara daha çevre dostu bir alternatif sunan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olarak kabul edilmektedir. Bu çalışmada, bitkisel yağlardan biyoyakıt üretiminde kullanılan yöntemler, hammaddeler ve katalizörlerin avantaj ve dezavantajları ele alınmıştır. Araştırmalarda bitkisel yağları biyoyakıtlara, Transesterifikasyon (Metil Ester Üretimi), hidrojenasyon ve piroliz gibi yöntemlerin dikkate alınmıştır. Bu bağlamda literatürde gerçekleştirilen çalışmalar bir tabloda hammadde, katalizör türü, katalizörün üretim yöntemi, yüzey alanı ve yüzde dönüşüm verimi gibi parametreler ayrıntılı olarak özetlenmiştir. Bu incelemelerde katalizör olarak alüminat ve ferrit bileşikleri değerlendirilmiştir. Bu bileşikler arasında iki ve daha çok metalli demir oksitlerin kolay bir şekilde redoks reaksiyon vermesi sayesinde biyoyakıt dönüşüm verimini önemli derecede arttırdığı sonucuna varılmıştır. Bunun ise yüzey alanı ve üretim yöntemi ile ilişkili olduğu anlaşılmıştır. Yüzey alanı arttıkça genel olarak dönüşüm veriminin arttığı ve geniş yüzey alanına ise hidrotermal gibi yöntemle düşük sıcaklıkta kolayca ulaşılabileceği sonucuna varılmıştır.

Keywords

Biyoyakıt, Metal oksit, Spinel yapı, Demir oksit

References

• Öymen, G., "YENİLENEBİLİR ENERJİNİN SÜRDÜRÜLEBİLİRLİK ÜZERİNDEKİ ROLÜ", İstanbul Ticaret Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 19 (39): 1069–1087 (2020).
• Ordu, S. and Güllü, İ., "Yenilenebilir enerji kaynaklarının gelişmekte olan ülkelerin kalkınma süreçlerindeki rolü", masterThesis, Nevşehir Hacı Bektaş Veli Üniversitesi, (2021).
• Ari, F. and Yilmaz, V., "TÜRKİYE’DE VE DÜNYA’DA ENERJİ KAYNAKLARININ GENEL GÖRÜNÜMÜ VE ALTERNATİF ENERJİ KAYNAKLARININ ÖNEMİ", Dicle Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, (34): 496–519 (2023).
• Erdal, L. and Karakaya, E., "Enerji arz güvenliğini etkileyen ekonomik, siyasî ve coğrafî faktörler", (2012).
• Kendi̇rli̇, B. and Çakmak, B., "Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Sera Isıtmasında Kullanımı", Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 2 (1): 95–103 (2010).
• Ürün, E. and Soyu, E., "TÜRKİYE’ NİN ENERJİ ÜRETİMİNDE YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI ÜZERİNE BİR DEĞERLENDİRME", Dumlupınar Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 31–45 (2016).
• Güneş, Z., Kirtil, H. E., Küçükata, Y. Ş., and Toprak, B., "Şeker pancarı ve yan ürünlerinden biyoyakıt (etanol) üretimi ve biyoetanolün endüstriyel kullanımının değerlendirilmesi", İstanbul Sabahattin Zaim Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2 (2): 16–24 (2020).
• Çıtak, M., "Bir Dizel Motorunda Mtbe Katkılı Biyodizel Kullanımının Deneysel Analizi", Master’s, Ann Arbor, United States, (2014).
• Kanli, İ. B. and Kaplan, B., "Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Etkin Kullanımı İçin Bir Model Önerisi: Şehir Enerji Kooperatifleri", Siyaset, Ekonomi Ve Yönetim Araştırmaları Dergisi, 6 (4): 31–42 (2018).
• Yilmaz, N. and Atmanli, A., "Havacılıkta Alternatif Yakıt Kullanılmasının İncelenmesi", Sürdürülebilir Havacılık Araştırmaları Dergisi, 1 (1): 3–10 (2016).
• Aybastıer, Ö., "Bitkisel Atık Yağların Karakterizasyonu ve Biyodizel üRetiminde Değerlendirilmesi", Master’s, Ann Arbor, United States, (2010).
• Çoban, K., "İnsansız hava araçlarinda farkli yakitlar ile çalişan turbojet motorunun enerji, ekserji ve sürdürülebilirlik analizleri", Ph.D., Ann Arbor, United States, (2018).
• Zengin, Y., "Yakıt hücresinde hidrojen tüketiminin zamana bağlı değişiminin incelenmesi", masterThesis, Batman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2019).
• Esen, T., "Heterojen Katalizör Sentezi Ve Çay Atığından Termokimyasal Süreçler Ile Hidrojence Zengin Gaz Ürün Eldesi", Master’s, Ann Arbor, United States, (2016).
• Aydin, B., "NANO YAKIT KATKI MADDESİ İLAVE EDİLEN BİYODİZEL DİZEL KARIŞIMININ MOTOR PERFORMANS VE EMİSYON ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN İNCELENMESİ", Thesis, (2022).
• Sürer, E., Solmaz, H., Yilmaz, E., Calam, A., and İpci̇, D., "Dizel-biyodizel karışımına karbon nanotüp katkısının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisinin incelenmesi", Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38 (2): 1055–1064 (2022).
• Solmaz, H., Sürer, E., Yılmaz, E., Calam, A., and İpci, D., "Investigation of the effect of carbon nanotube addition to diesel-biodiesel blend on engine performance and exhaust emissions", JOURNAL OF THE FACULTY OF ENGINEERING AND ARCHITECTURE OF GAZI UNIVERSITY, 38 (2): (2023).
• Kölgelier, S., "Biyodizel üretim atığından gliserin eldesi", Master Thesis, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2020).
• Ünver, H., "Perfloro sübstitüe Tiyofen ligandlarının Rodyum Ve Paladyum Komplekslerinin Sentezi Ve süperkritik Karbondioksit ortamında bazı Olefinlerin Hidrojenasyon Tepkimelerine Katalitik Etkilerinin Incelenmesi", M.S., Ann Arbor, United States, (2011).
• Danışman, A., "Bitkisel Yağlardan Değerli Kimyasallar Ve Biyodizel Üretimi", M.S., Ann Arbor, United States, (2008).
• Özdemi̇r, Z. Ö. and Mutlubaş, H., "BİYODİZEL ÜRETİM YÖNTEMLERİ ve ÇEVRESEL ETKİLERİ", Kırklareli Üniversitesi Mühendislik Ve Fen Bilimleri Dergisi, 2 (2): 129–143 (2016).
• Eraslan, Ü., "FARKLI TÜRDEN ATIKLARIN PİROLİZİ SONUCU ELDE EDİLEN PİROLİTİK YAĞIN YANMA VERİMİNİN VE EMİSYON DEĞERLERİNİN İNCELENMESİ", Thesis, (2021).
• Gülüm, M., Bi̇lgi̇n, A., and Çakmak, A., "SODYUM HİDROKSİT (NaOH) VE POTASYUM HİDROKSİT (KOH) KULLANILARAK ÜRETİLEN MISIR YAĞI BİYODİZELLERİNİN OPTİMUM REAKSİYON PARAMETRELERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI", Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 30 (3): 503–511 (2015).
• Dönmez, G., "Maya ve fungus lipitlerinin soxhlet sistemi ile ekstraksiyonu", (2011).
• Akgül, G., Sözer, S., and Culfa, M., "ATIK YAĞLARDAN BİYODİZEL ÜRETİMİNDE YENİLİKÇİ BİYOKÖMÜR KATALİZÖRÜ", TÜBAV Bilim Dergisi, 10 (4): 29–39 (2017).
• Özdemi̇r, Z. Ö. and Mutlubaş, H., "Heterojen Katalizör Tasarımlı Biyodizel Üretimi", Journal Of The Institute Of Science And Technology, 9 (4): 2157–2165 (2019).
• Akinay, Y. and Hayat, F., "Synthesis and microwave absorption enhancement of BaTiO3 nanoparticle/polyvinylbutyral composites", Journal Of Composite Materials, 53 (5): 593–601 (2019).
• Bhalla, A. S., Guo, R., and Roy, R., "The perovskite structure—a review of its role in ceramic science and technology", Materials Research Innovations, 4 (1): 3–26 (2000).
• Farokhi, G. and Saidi, M., "Catalytic activity of bimetallic spinel magnetic catalysts (NiZnFe2O4, CoZnFe2O4 and CuZnFe2O4) in biodiesel production process from neem oil: Process evaluation and optimization", Chemical Engineering And Processing - Process Intensification, 181: 109170 (2022).
• Quirino, M. R., Oliveira, M. J. C., Keyson, D., Lucena, G. L., Oliveira, J. B. L., and Gama, L., "Synthesis of zinc aluminate with high surface area by microwave hydrothermal method applied in the transesterification of soybean oil (biodiesel)", Materials Research Bulletin, 74: 124–128 (2016).
• Cao, Y., Mohamed, A. M., Mousavi, M., and Akinay, Y., "Poly(pyrrole-co-styrene sulfonate)-encapsulated MWCNT/Fe–Ni alloy/NiFe2O4 nanocomposites for microwave absorption", Materials Chemistry And Physics, 259: 124169 (2021).
• Rahmani Vahid, B., Haghighi, M., Alaei, S., and Toghiani, J., "Reusability enhancement of combustion synthesized MgO/MgAl2O4 nanocatalyst in biodiesel production by glow discharge plasma treatment", Energy Conversion And Management, 143: 23–32 (2017).
• Rahmanivahid, B., Ajamein, H., Zakizadeh, T., and Nayebzadeh, H., "Fabrication of super basic BaxMg(1-x)Fe2O4 magnetic spinel nanocatalyst toward biodiesel production", Materials Research Bulletin, 165: 112321 (2023).
• Mierczynski, P., Chalupka, K. A., Maniukiewicz, W., Kubicki, J., Szynkowska, M. I., and Maniecki, T. P., "SrAl2O4 spinel phase as active phase of transesterification of rapeseed oil", Applied Catalysis B: Environmental, 164: 176–183 (2015).
• Rahmanivahid, B., Pinilla-de Dios, M., Haghighi, M., and Luque, R., "Mechanochemical Synthesis of CuO/MgAl2O4 and MgFe2O4 Spinels for Vanillin Production from Isoeugenol and Vanillyl Alcohol", Molecules, 24 (14): 2597 (2019).
• Xue, B., Luo, J., Zhang, F., and Fang, Z., "Biodiesel production from soybean and Jatropha oils by magnetic CaFe2O4–Ca2Fe2O5-based catalyst", Energy, 68: 584–591 (2014).
• Arrais Gonçalves, M., Karine Lourenço Mares, E., Roberto Zamian, J., Narciso da Rocha Filho, G., and Rafael Vieira da Conceição, L., "Statistical optimization of biodiesel production from waste cooking oil using magnetic acid heterogeneous catalyst MoO3/SrFe2O4", Fuel, 304: 121463 (2021).
• Arrais Gonçalves, M., Karine Lourenço Mares, E., Roberto Zamian, J., Narciso da Rocha Filho, G., and Rafael Vieira da Conceição, L., "Statistical optimization of biodiesel production from waste cooking oil using magnetic acid heterogeneous catalyst MoO3/SrFe2O4", Fuel, 304: 121463 (2021).
• Alaei, S., Haghighi, M., Toghiani, J., and Rahmani Vahid, B., "Magnetic and reusable MgO/MgFe2O4 nanocatalyst for biodiesel production from sunflower oil: Influence of fuel ratio in combustion synthesis on catalytic properties and performance", Industrial Crops And Products, 117: 322–332 (2018).
• Liu, Y., Zhang, P., Fan, M., and Jiang, P., "Biodiesel production from soybean oil catalyzed by magnetic nanoparticle MgFe2O4@CaO", Fuel, 164: 314–321 (2016).
• Gardy, J., Osatiashtiani, A., Céspedes, O., Hassanpour, A., Lai, X., Lee, A. F., Wilson, K., and Rehan, M., "A magnetically separable SO4/Fe-Al-TiO2 solid acid catalyst for biodiesel production from waste cooking oil", Applied Catalysis B: Environmental, 234: 268–278 (2018).
• Ashok, A. and Kennedy, L. J., "Magnetically Separable Zinc Ferrite Nanocatalyst for an Effective Biodiesel Production from Waste Cooking Oil", Catalysis Letters, 149 (12): 3525–3542 (2019).