28.10.2020 - RMIT University

Herstellung von Biodiesel aus verunreinigtem altem Speiseöl wird nun viel einfacher

Neuer ultra-effizienter Katalysator kann altes Speiseöl zu Biodiesel recyceln und Lebensmittelreste in hochwertige komplexe Moleküle verwandeln

Forscher haben ein leistungsfähiges, kostengünstiges Verfahren entwickelt, mit dem gebrauchtes Speiseöl und landwirtschaftliche Abfälle zu Biodiesel recycelt und Speisereste und Kunststoffabfälle in hochwertige Produkte umgewandelt werden können.

Die Methode macht sich einen neuartigen, ultraeffizienten Katalysator zunutze, der aus verschiedenen, unreinen Rohstoffen kohlenstoffarmen Biodiesel und andere wertvolle komplexe Moleküle herstellen kann.

Altspeisefett muss derzeit einen energieintensiven Reinigungsprozess durchlaufen, um in Biodiesel verwendet werden zu können, da kommerzielle Produktionsmethoden nur reine Rohstoffe mit 1-2% Verunreinigungen verarbeiten können.

Der neue Katalysator ist so zäh, dass er Biodiesel aus minderwertigen Inhaltsstoffen, den so genannten Feedstocks, die bis zu 50% Verunreinigungen enthalten, herstellen kann.

Er ist so effizient, dass er die Produktivität von Herstellungsprozessen verdoppeln könnte, bei denen Abfall wie Lebensmittelreste, Mikrokunststoffe und Altreifen in hochwertige chemische Vorprodukte umgewandelt werden, die zur Herstellung von Medikamenten, Düngemitteln und biologisch abbaubaren Verpackungen verwendet werden.

Über das Katalysatordesign wird in einer neuen Studie einer internationalen Zusammenarbeit unter Leitung der RMIT-Universität berichtet, die in Nature Catalysis veröffentlicht wurde.

Der Co-Lead Investigator Professor Adam Lee, RMIT, sagte, dass konventionelle Katalysatortechnologien von hochreinen Ausgangsmaterialien abhängig seien und teure technische Lösungen erforderten, um ihre schlechte Effizienz auszugleichen.

"Die Qualität des modernen Lebens hängt entscheidend von komplexen Molekülen ab, um unsere Gesundheit zu erhalten und nahrhafte Lebensmittel, sauberes Wasser und billige Energie bereitzustellen", sagte Lee.

"Diese Moleküle werden derzeit durch nicht nachhaltige chemische Prozesse hergestellt, die die Atmosphäre, den Boden und die Wasserwege verschmutzen.

"Unsere neuen Katalysatoren können uns dabei helfen, den vollen Wert von Ressourcen zu erhalten, die normalerweise verschwendet würden - vom ranzigen Altspeiseöl bis hin zu Reisschalen und Gemüseschalen - um die Kreislaufwirtschaft voranzutreiben.

"Und durch radikale Effizienzsteigerungen könnten sie uns helfen, die Umweltverschmutzung durch die chemische Produktion deutlich zu reduzieren und uns der Revolution der grünen Chemie näher bringen.

Katalysatorschwamm: die grüne Chemie vorantreiben

Zur Herstellung des neuen ultraeffizienten Katalysators stellte das Team einen mikrongroßen Keramikschwamm her (100-mal dünner als ein menschliches Haar), der hochporös ist und verschiedene spezialisierte aktive Komponenten enthält.

Die Moleküle gelangen zunächst durch große Poren in den Schwamm, wo sie eine erste chemische Reaktion durchlaufen, und gehen dann in kleinere Poren über, wo sie eine zweite Reaktion durchlaufen.

Es ist das erste Mal, dass ein multifunktionaler Katalysator entwickelt wurde, der mehrere chemische Reaktionen nacheinander innerhalb eines einzigen Katalysatorpartikels durchführen kann, und er könnte den globalen Katalysatormarkt von 34 Milliarden US-Dollar verändern.

Die Co-Lead Investigator Professor Karen Wilson, ebenfalls vom RMIT, sagte, dass das neue Katalysatordesign die Art und Weise nachahmt, wie Enzyme in menschlichen Zellen komplexe chemische Reaktionen koordinieren.

"Es wurden schon früher Katalysatoren entwickelt, die mehrere Reaktionen gleichzeitig durchführen können, aber diese Ansätze bieten wenig Kontrolle über die Chemie und sind ineffizient und unvorhersehbar", sagte Wilson.

"Unser bio-inspirierter Ansatz orientiert sich an den Katalysatoren der Natur - den Enzymen - um eine leistungsfähige und präzise Methode zur Durchführung mehrerer Reaktionen in einer bestimmten Reihenfolge zu entwickeln.

"Es ist, als hätte man eine nanoskalige Produktionslinie für chemische Reaktionen - alles in einem einzigen, winzigen und supereffizienten Katalysatorpartikel untergebracht.

DIY-Diesel: Unterstützung der verteilten Biokraftstoffproduktion

Die schwammartigen Katalysatoren sind billig in der Herstellung und verwenden keine Edelmetalle.

Die Herstellung von kohlenstoffarmem Biodiesel aus landwirtschaftlichen Abfällen mit diesen Katalysatoren erfordert kaum mehr als einen großen Behälter, etwas schonendes Erhitzen und Rühren.

Es handelt sich um einen technologienahen, kostengünstigen Ansatz, der die verteilte Biokraftstoffproduktion vorantreiben und die Abhängigkeit von aus fossilen Brennstoffen gewonnenem Diesel reduzieren könnte.

"Dies ist besonders wichtig in Entwicklungsländern, in denen Diesel der primäre Brennstoff für den Antrieb von Stromgeneratoren in Haushalten ist", sagte Wilson.

"Wenn wir die Landwirte in die Lage versetzen könnten, Biodiesel direkt aus landwirtschaftlichen Abfällen wie Reiskleie, Cashewnüssen und Rizinussamenschalen auf ihrem eigenen Land zu produzieren, würde dies dazu beitragen, die kritischen Probleme der Energiearmut und der Kohlenstoffemissionen anzugehen.

Während die neuen Katalysatoren sofort für die Biodieselproduktion eingesetzt werden können, könnten sie mit weiterer Entwicklung leicht auf die Herstellung von Düsentreibstoff aus land- und forstwirtschaftlichen Abfällen, alten Gummireifen und sogar Algen zugeschnitten werden.

Die nächsten Schritte für das Forschungsteam der RMIT School of Science sind die Skalierung der Katalysatorherstellung von Gramm auf Kilogramm und die Einführung von 3D-Drucktechnologien, um die Kommerzialisierung zu beschleunigen.

"Wir hoffen auch, das Spektrum der chemischen Reaktionen zu erweitern, um Licht und elektrische Aktivierung für Spitzentechnologien wie künstliche Photosynthese und Brennstoffzellen einzubeziehen", sagte Lee.

"Und wir wollen mit potenziellen Geschäftspartnern zusammenarbeiten, um eine Reihe kommerziell verfügbarer Katalysatoren für verschiedene Anwendungen herzustellen.

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