Mustalipeästä jalostetun bioöljyn laadun tarkkailu Raman-spektroskopialla

Abstract

Fossiiliset polttoaineet pyritään korvaamaan biopohjaisilla polttoaineilla ilmastonmuutoksen takia nopeasti. Biopohjaiset polttoaineet tulisi korvata nykyiset fossiiliset polttoaineet niin, ettei nykyisiin polttomoottoreihin tarvitsisi tehdä rakenteellisia muutoksia. Euroopan Unioni on rahoittanut Tampereen yliopiston koordinoimaan Black Liqour to Fuel (myöhemmin BL2F) -hankkeeseen. BL2F -hanke perustuu bioöljyn valmistukseen kuumavesinesteytyksellä mustalipeästä. Valmistusprosessia tulisi voida valvoa reaaliaikaisesti, jotta prosessin parametreja, kuten lämpötilaa ja painetta, voitaisiin muokata halutulla tavalla. Tässä työssä tutkitaan Raman-spektroskopiaa osana bioölyn valmistusprosessia. Tavoitteena on selvittää, voiko mustalipeästä jalostetun bioöljyn laatua valvoa reaaliaikaisesti rakentamallemme mittauslaitteistolla.

Raman-spektroskopia nähdään yhtenä perustavanlaatuisena ratkaisuna raakaöljyn analysoimisessa. Raman-spektroskopian hyötyjä ovat aineen kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen mittaaminen muuttamatta näytteen kemiallista koostumusta. Tässä työssä mittauslaitteisto rakennettiin aallonpituudeltaan 1064 nm ja teholtaan 30 mW – 500 mW laservaloa käyttäen. Mittauslaitteisto mittaa takaisin sironnutta Raman-sirontaa. Fotonit ohjataan valokuitua pitkin spektroskoopille. Mittalaitteiston toimivuus varmistetaan käyttämällä hyviä sirottajia, kuten titaanidioksidia ja tolueenia, Raman-signaalin havaitsemisen vahvistamiseksi.

Takaisin sirontaan (”back-scattering”) perustuva mittauslaitteisto osoittautui toimivaksi menetelmäksi havaita Raman-sirontaa. Titaanidioksidin ja tolueenin spektreistä pystyttiin onnistuneesti tulkitsemaan hiilivetysidoksia, sekä vahvistamaan titaanidioksidin kiderakenteen rutiiliksi. BL2F- näytteen tulokset osoittivat, että fluoresenssi-ilmiö peittää Raman-sironnan intensiteettipiikit näytteen spektristä. 1064 nm laservalo riittää virittämään aineen elektronit korkeammalle viritystilalle, jolta purkautuminen perustilalleen emittoi fotoneja. Näytteen analysoiminen spektroferometrillä osoitti, että 1064 nm valo absorboituu BL2F-näytteeseen 90% todennäköisyydellä. Kuitenkin, Raman-mikroskooppilla mitatut spektrit dieselillä, oliivi- ja rypsiöljyllä osoittivat Raman-spektroskopian olevan erinomainen menetelmä tunnistaa hiilisidoksia vibraatitilojen energioiden avulla.