An Integrated Approach to Biodiesel Production from Waste Cooking Oil Using Waste-Derived Catalysts and its Application in Oil-Based Drilling Fluids. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF signed thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 17 May 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

عدّ الطلب المتزايد على الطاقة المستدامة والعمليات الصناعية الصديقة للبيئة دافعًا رئيسيًا للاهتمام بإنتاج الديزل الحيوي من الموارد المشتقة من النفايات وتوسيع نطاق تطبيقاته. تقدم هذه الرسالة نهجًا متكاملًا يشمل إنتاج الديزل الحيوي من زيت الطهي المستعمل، وتطبيقه في أنظمة سوائل الحفر، بالإضافة إلى تطوير محفّز محسّن لمعالجة القيود الأساسية في العملية. تم إنتاج الديزل الحيوي باستخدام محفّز غير متجانس من أكسيد الكالسيوم (CaO) مشتق من قشور بيض الدجاج، حيث تم تحقيق تحويل مرتفع لزيت الطهي المستعمل إلى إسترات الأحماض الدهنية الميثيلية بخصائص متوافقة مع معايير الوقود. كما تم تطبيقه بنجاح كبديل للديزل التقليدي في سوائل الحفر الزيتية، حيث أظهر سلوكًا ريولوجيًا مستقرًا، واستقرارًا جيدًا للمستحلبات، وأداء ترشيح مقبولًا، ومقاومة للتدهور الحراري. ورغم الأداء الجيد للمحفّز المشتق من قشور البيض، إلا أن تحسين المتانة وقابلية التوسع يظل ضروريًا، خاصةً تحت ظروف التشغيل العملية. وللتغلب على ذلك، تم تطوير محفّز مركّب ثنائي الوظيفة (CES-CRM) من خلال دمج قشور البيض المُكلّسة مع الطين الأحمر المُكلّس. وأظهر هذا المحفّز خواصًا حمضية–قاعدية تكاملية، تجمع بين النشاط القاعدي القوي لأكسيد الكالسيوم والاستقرار البنيوي للطين الأحمر. أتاح هذا المحفّز المعالجة المباشرة لزيت الطهي المستعمل دون الحاجة إلى الأسترة الحمضية المسبقة مع تقليل تكوّن الصابون، كما حسّن فصل الأطوار وقلّل فقدان المنتج وخطوات التنقية. وأسهمت مقاومته للتعطيل البيئي وانخفاض حساسيته لظروف التشغيل في تحسين قابلية التكرار، إضافةً إلى متانته عند زيادة أحجام التفاعل، مما يدل على تحسن انتقال الكتلة وقابلية التوسع. تحت الظروف المثلى، حقق محفّز (CES-CRM) تحويلًا للديزل الحيوي يصل إلى 100% بأداء متسق، متفوقًا على مكوناته الفردية. وتُبرز هذه النتائج تكامل مراحل الإنتاج والتطبيق وتطوير المحفّز، مما يوضح إمكانية توظيف المواد المشتقة من النفايات للتغلب على قيود الأنظمة التقليدية، وتقديم مسار عملي وقابل للتوسع لإنتاج الديزل الحيوي وإدماجه في تطبيقات هند

English Abstract

The growing demand for sustainable energy and environmentally responsible industrial processes has intensified interest in biodiesel production from waste-derived resources and its broader applications. This thesis presents an integrated approach to encompassing biodiesel production from waste cooking oil (WCO), its application in drilling fluid systems, and the development of an improved catalyst to address key process limitations. Biodiesel was initially produced using a heterogeneous CaO catalyst derived from chicken eggshells, achieving high conversion of WCO to fatty acid methyl esters (FAME) with properties meeting relevant fuel standards. The produced biodiesel was successfully applied as a substitute for conventional diesel in oil-based drilling fluids, demonstrating stable rheological behavior, enhanced emulsion stability, acceptable filtration performance, and resistance to thermal aging. Although the eggshell-derived catalyst showed promising performance, further improvements are desirable to enhance robustness and scalability, particularly under practical processing conditions. To overcome these challenges, a bifunctional composite catalyst (CES-CRM) was developed by integrating calcined eggshell (CES) with calcined red mud (CRM). The composite catalyst exhibited synergistic acid–base functionality, combining the strong basic activity of CaO with the structural stability and surface characteristics of the red mud matrix. This enabled direct processing of untreated WCO without the need for acid pre-esterification, while suppressing saponification. The composite catalyst improved phase separation, reduced product loss, and required fewer purification steps. Enhanced resistance to environmental deactivation and reduced sensitivity to handling conditions resulted in improved reproducibility. The catalyst also demonstrated superior robustness under increased reaction volumes, indicating improved mass transfer characteristics and scalability. Under optimized conditions, the CES-CRM catalyst achieved high biodiesel conversion up to 100% with consistent performance, outperforming its individual components. These findings establish a coherent progression from biodiesel production and application to catalyst innovation, demonstrating how waste-derived materials can be engineered to overcome critical limitations in conventional systems. The work provides a practical and scalable pathway for biodiesel production and highlights its potential integration into petroleum engineering applications such as drilling fluids.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Omar Abdelaziz,
Thesis Committee Members:	Zuhair Malaibari, Ziyauddin Qureshi,
Depositing User:	ESSRA ALTAHIR (g202318610)
Date Deposited:	18 May 2026 05:40
Last Modified:	18 May 2026 05:40
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144319