SULFONATED POLYETHER ETHER KETONE AS A SOLID ACID CATALYST FOR TRANSESTERIFICATION REACTIONS

Abstract

Biodiesel is an environmentally friendly, low emission, direct replacement for diesel fuel. In this work, Sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) was used as a catalyst in transesterification reactions, in order to explore the possibility of using SPEEK for the processing of biodiesel. SPEEK is a polymer with hygroscopic and acidic properties that increases with the degree of sulphonation (DS) of the polymer. SPEEK with a DS of 1.0 (100% sulphonated) dissolves in hot water while SPEEK with a DS lower than 0.4 does not dissolve in most organic solvents including methanol. All SPEEK used in this work was produced from the sulphonation of PEEK in concentrated sulphuric acid and characterized by the author. Transesterification reactions were conducted in a batch reactor at 50oC with triacetin, a short chain triglyceride, and methanol using SPEEK as a homogeneous catalyst and as a heterogeneous catalyst in the form of SPEEK/PEEK hybrid pellets. SPEEK with a DS of 1.0 demonstrated the same catalytic properties as sulphuric acid at same normality, in a transesterification reaction. Catalyst pellets were produced with a skin of SPEEK and a core of PEEK. The DS at the surface of the pellets was evaluated to be 0.36 based on elemental analysis performed using Energy Dispersive Spectroscopy. The SPEEK pellets used as a heterogeneous catalyst displayed slower transesterification kinetics due to the reduced availability of catalytic sites limited to the surface area of the pellets. It was found that the SPEEK catalyst pellets gradually lost their catalytic effectiveness due to observable degradation of their surface area caused by grinding of the pellets during mixing in the reaction vessel. The activation energy of the processed SPEEK was determined to be 78 kJ/mol. The sulphonation reaction conversion was also modelled by adapting existing equations to the conditions used in this research.

Le biodiesel est un produit de remplacement direct du diésel aussi plus respectueux de l'environnement. Dans ce travail, le polyéther éther cétone sulfoné (SPEEK) a été utilisé comme catalyseur dans les réactions de transestérification, afin d'explorer la possibilité d'utiliser le SPEEK afin de produire du biodiesel. Le SPEEK est un polymère aux propriétés hygroscopique et acide qui augmentent avec le degré de sulfonation (DS) du polymère. Le SPEEK avec un DS de 1,0 (100% sulfoné) se dissout dans l'eau chaude tandis que le SPEEK avec un DS inférieur à 0,4 ne se dissout pas dans la plupart des solvants organiques, comme le méthanol. Tout le SPEEK utilisé dans ce travail a été produit à partir de la sulfonation du PEEK dans de l'acide sulfurique concentré et caractérisé par l'auteur. Des réactions de transestérification ont été conduites dans un réacteur discontinu à 50 ° C avec de la triacétine, un triglycéride à chaîne courte et du méthanol en utilisant le SPEEK comme catalyseur homogène et comme catalyseur hétérogène sous la forme de pastilles hybrides SPEEK / PEEK. SPEEK avec un DS de 1,0 a démontré les mêmes propriétés catalytiques que l'acide sulfurique à la même normalité, dans une réaction de transestérification. Des pastilles de catalyseur ont été produites avec une peau de SPEEK et un noyau de PEEK. Le DS à la surface des pastilles a été évalué à 0,36 sur la base de l'analyse élémentaire réalisée en utilisant la spectroscopie à dispersion d'énergie. Les pastilles de SPEEK utilisées comme catalyseur hétérogène présentaient une cinétique de transestérification plus lente en raison de la disponibilité réduite de sites catalytiques limités à la surface des pastilles. Il a été trouvé que les pastilles de catalyseur de SPEEK perdaient progressivement leur efficacité catalytique en raison de la dégradation observable de leur surface provoquée par le broyage des pastilles pendant le mélange dans le réacteur discontinu. L'énergie d'activation du SPEEK produit a été déterminée comme étant de 78,37 kJ/mol. La conversion de la réaction de sulfonation a également été modélisée en adaptant des équations connues aux conditions utilisées dans cette recherche.