Production of biodiesel from sludge generated in municipal wastewater treatment plants.

Abstract

Actualment la producció de biodièsel està limitada a causa de falta de les matèries primeres econòmicament accesibles i relativament económiques. Fangs municipals generats a les EDAR són una matèria primera prometedora de lípids no comestible que pot emplear-se per a la producció de biodièsel rendible.. Entre els quatre tipus de fangs generats en EDARs, el fang primari és el més beneficiós. No obstant això, la necessitat d'eliminar l'alt contingut d'aigua dels fangs, abans de l'extracció dels lípids, és una limitació principal per la ampliació de procés. Per tant, aquest estudi principalment investiga mètodes alternatius, extracció directa de lípids de fang líquid per tal d'eliminar el costós procés d'assecament de fang. La clàssica extracció líquida-líquida directa dels lípids de fang líquid utilitzant hexà és factible després de l'acidificació dels fangs. L'optimització, ampliació i anàlisi econòmica del procés indiquen que la producció de biodièsel a través de l'extracció líquida-líquida directa dels lípids de fang primari és econòmicament viable i més rentable que la de fang sec. Encara que la tecnologia actualment disponible (extracció líquida-líquida usant hexà) permet una fàcil extracció de lípids a partir de fangs d'aigües residuals, l'ús de líquids iònics com un dissolvent alternatiu verd també ha estat investigat amb la finalitat de millorar l'impacte ambiental del procés. Els líquids iònics no volàtils també mostren un alt potencial per a l'extracció directa de lípids de fang primari, donant resultats comparables als del mètode clàssic. A més, el líquid iònic específic a base de fosfoni és molt prometedor per la seva capacitat per recuperar la cellulosa i proteïnes, juntament amb els lípids en un sol pas, donant un altre avantatge sobre els dissolvents orgànics. Finalment, la síntesi de biodièsel a partir de lípids extrets es va estudiar utilitzant líquids iònics àcids de Brønsted com un catalitzador alternatiu, capaç de superar els problemes relacionats amb els catalitzadors convencionals. Els líquids iònics àcids de Brønsted amb un grup àcid sulfònic d'alcà mostren un bon rendiment catalític per a la conversió dels lípids de fang en biodièsel.

Actualmente la producción de biodiesel está limitada debido a falta de las materias primas accesibles y relativamente económicas. Fangos municipales generados en las EDAR son una materia prima prometedora de lípidos no comestible que pueden utilizarse en la producción de biodiesel. Entre los cuatro tipos de fangos generados en EDARs, el lodo primario es el más beneficioso. Sin embargo, la necesidad de eliminar el alto contenido de agua de los fangos, antes de la extracción de los lípidos, es una limitación principal para la ampliación del proceso. Por lo tanto, este estudio principalmente investiga métodos alternativos, extracción directa de lípidos de fango líquido con el fin de eliminar el costoso proceso de secado de fango. La clásica extracción líquida-líquida directa de los lípidos de fango líquido utilizando hexano es factible tras la acidificación anterior de fangos. La optimización, ampliación y análisis económico del proceso indican que la producción de biodiesel a través de la extracción líquida-líquida directa de los lípidos de fango primario es económicamente viable y más rentable que la de fango seco. Aunque la tecnología actualmente disponible (extracción líquida-líquida usando hexano) permite una fácil extracción de lípidos a partir de fangos de aguas residuales, el uso de líquidos iónicos como disolvente alternativo verde también ha sido investigado con el fin de mejorar el impacto ambiental del proceso. Los líquidos iónicos no volátiles también muestran un alto potencial para la extracción directa de lípidos de fango primario, dando resultados comparables a los del método clásico. Además, el líquido iónico específico a base de fosfonio es muy prometedor debido a su capacidad para recuperar la celulosa y proteínas, junto con los lípidos en un solo paso, dando otra ventaja sobre los disolventes orgánicos. Finalmente, la síntesis de biodiesel a partir de lípidos extraídos se estudió usando líquidos iónicos ácidos de Brønsted como catalizador alternativo, capaz de superar los problemas relacionados con los catalizadores convencionales. Los líquidos iónicos ácidos de Brønsted con un grupo ácido sulfónico de alcano muestran un buen rendimiento catalítico para la conversión de los lípidos de fango en biodiesel.

Production of biodiesel is currently limited due to lack of economically beneficial feedstocks. Municipal sludge generated in WWTPs is a promising non-edible lipid feedstock which can make the biodiesel production profitable. Among the four types of sludge generated in WWTPs, the primary sludge is the most beneficial. However, the need to eliminate the high water content from sludge, before lipid extraction, is a main limitation for scaling up. Therefore, this study primarily investigates alternative methods, direct extractions of lipids from liquid sludge in order to eliminate the expensive process of sludge drying. The classical direct liquid-liquid extraction of lipids from liquid sludge using hexane is feasible after previous sludge acidification .The optimisation, scale-up and economic analysis of the process indicate that the biodiesel production via direct liquid-liquid extraction of lipids from primary sludge is economically feasible and more cost-effective than from dry sludge. Although the technology currently available (liquid-liquid extraction using hexane) allows easy extraction of lipids from sewage sludge, the use of ionic liquids as a green alternative solvent is also investigated in order to improve the environmental impact of the process. The non-volatile ionic liquids also show a high potential for direct lipid extraction from liquid primary sludge, giving results comparable to the classical method. Furthermore, the specific phosphonium-based ionic liquid is very promising due to its ability to recover the cellulose and proteins, together with lipids in one step, giving another advantage over the organic solvents. Finally, the synthesis of biodiesel from extracted lipids is studied using Brønsted acidic ionic liquids as an alternative catalyst, capable to overcome the problems related to conventional catalysts. The Brønsted acidic ionic liquids with an alkane sulfonic acid group show a good catalytic performance for the conversion of sludge lipids into biodiesel.