دیدگاهسوخت گاز

بررسی انتقادی بیودیزل به عنوان سوخت جایگزین

دیرکرد موجود در جایگزینی بیودیزل به‌جای دیزل فسیلی، عمدتاً به‌دلیل هزینه‌های بالای واکنش ترانس‌استریفیکاسیون است. ترانس‌استریفیکاسیون واکنشی است که برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار می‌گیرد و تنها عیب آن این است که تری‌گلیسرید تولید می‌کند. در این فعل و انفعالات زیستی، از روغن‌های گیاهی به‌عنوان منبع تولید بیودیزل استفاده می‌شود. این واکنش در مقیاس صنعتی مشکلات زیادی از خود نشان می‌دهد و این مشکل ناشی از گلیسرول تولیدشده طی فرایند است.


هدف از این مطالعه، بررسی قابلیت‌های بیودیزل رایج به‌منظور تبیین زوایای پنهان استفاده از آن به‌عنوان سوخت زیستی برای انتقال انرژی و همچنین استفاده از سوخت‌های زیستی جایگزین است که می‌توانند به‌عنوان روشی موفق در انتقال انرژی نقش داشته باشند. توصیه‌ها مبنی بر این است که باید تلاش محققان هم‌راستا با نظر سیاست‌گذران این حیطه باشد، زیرا که اثر تجمعی پیدا می‌کند و عنصر قدرت سبب پیشروی بیشتر در زمینه بهینه‌سازی شرایط واکنش ترانس‌استریفیکاسیون و نیز نتایج حاصله از آن خواهد شد. اگر تولید سوخت دیزل زیستی، در اولویت‌های هر دولتی قرار بگیرد، به سمت توسعه در بخش این فرایندهای جدید پیش خواهد رفت.

گلیسرول تولیدشده طی فرایند ترانس‌استریفیکاسیون باید حذف شود و هزینه‌های ناشی از حذف این ماده به هزینه‌های تحمیلی دیگر اضافه می‌گردد، که یکی از آن‌ هزینه‌ها شاید منبع اولیه‌ای باشد که برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار می‌گیرد. اخیراً چندین روش جایگزین به‌جای ترانس‌استریفیکاسیون با کارایی خوب معرفی شده است که می‌شود از آن‌ها برای تولید بیودیزل از منبع اولیه روغنی استفاده کرد. این روش‌ها در حال حاضر در دست توسعه هستند و شماری از آن‌ها عبارت‌اند از: Gliperol و DMC-Biod و Ecodiesel

علاوه بر این، دیزل‌های تجدیدپذیر دیگری موجود است که اصطلاحاً “دیزل سبز” نامیده می‌شوند و توسط چندین فعالیت کاتالیزوری از قبیل کراکینگ یا پیرولیز، هیدرو دی اکسیژناسیون و هیدرودسولفوریزاسیون بدست می‌آید. با استفاده از روغن‌ها به‌عنوان منابع گیاهی برای تولید بیودیزل، مخلوط ویسکوز نهایی را می‌توان پیش از استفاده در موتورهای احتراق داخلی مورد واکنش‌هایی قرار داد تا ویسکوزیته‌شان کم شود و قابلیت استفاده پیدا کنند.

در طی سه دهه گذشته، از طریق یک سری معاهدات بین‌المللی تصمیم گرفته شد که روشی جایگزین سوخت‌های فسیلی گردد و به گونه‌ای باشد که در مقیاس جهانی نمود داشته باشد. این پیمان در حقیقت توافق‌نامه پاریس است که توسط آن تمام دولت‌های جهانی برای اولین‌بار متعهد به این امر مهم شدند و تأثیرات اقلیمی در سطح جهانی نیز در آن لحاظ شده است.

پس از توافق‌نامه بود که اکثر کشورها برای سال 2030 چشم‌انداز تعیین نمودند. چشم‌انداز ترسیمی توسط این دولت‌ها هم بایستی نگاهی به چارچوب سیاست داخلی داشته باشد هم به شرایط اقلیمی. از طرفی دیگر، برخی برنامه‌ها که باید به‌منظور پیشروی در این حیطه مد نظر باشد؛ جداسازی کربن است و تقویت فناوری‌های کم‌کربن.

کاهش گازهای گلخانه‌ای یکی دیگر از برنامه‌های موجود در این توافق‌نامه است که هم‌راستا با کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی عمل می‌کند. در همین زمان بود که جایگزین‌های سوخت فسیلی معرفی شدند: فتوولتائیک، باد، انرژی هسته‌ای، هیدروژن. این انرژی‌ها به مرور قابلیت جایگزینی به‌جای سوخت‌های فسیلی را دارند. تولید بیودیزل هم جزو همین انرژی‌ها می‌باشد و در اصل تولید دیزل از پسماند است.

این معادل‌سازی در بخش سوخت‌های حمل و نقل موجود نیست، زیرا وسایل نقیله هرکدام دارای شیوه‌ای خاص در سیستم راه‌اندازی و نیز حرکت هستند. سلول‌های سوختی و موتورهای برقی، هرکدام عملکردی مختص به خود دارند و قابل تطبیق با موتورهای جرقه‌ای و یا موتورهای احتراق‌فشرده نیستند. این عدم سنخیت در خودروهای سنگین مانند کامیون و بخش هواپیمایی بیشتر حس می‌شود.

بنابراین با صرف نظر از این که خودروهای الکتریکی چقدر پیشرفت داشته‌اند و یا مثلاٌ موتورهای هیدروژنی، تلفیق تدریجی سوخت‌های زیستی به‌عنوان جایگزین سوخت‌های فسیلی همچنان ادامه دارد. به همین منظور، برای افزایش امنیت انرژی باید چالش‌های قابل‌توجهی برای بخش حمل و نقل طی دهه‌های آینده در نظر گرفته شود.

بخش حمل و نقل شامل حمل و نقل جاده‌ای، هوایی و آبی است که مجموعاً حدود 20 درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای در مقیاس جهانی را به خود اختصاص می‌دهد. موتورهای بنزینی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی و موتورهای دیزلی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی-دیزلی در سراسر جهان شناخته شده هستند و مردم همه‌روزه از این‌ها استفاده می‌کنند.

بنزین جزئی سبک است که از روغن خام در دمای تقطیر زیر نقطه جوش آب بدست می‌آید، در حالی که دیزل در دماهای بالاتر تقطیر می‌شود. در سناریوهای موجود، مهم‌ترین خواسته یافتن گذار انرژی پایدار، استفاده در بخش ناوگان فعلی موجود و به مرور معرفی سوخت‌های فسیلی کارا است. استفاده از دانه‌های روغنی برای تولید بیودیزل نسبت به تولید اتانول از غلات، بازده کمتری دارد. علت این است که دانه‌های روغنی از ویسکوزیته بالاتری برخوردار هستند (بین 30 الی 40 سانتی‌استوک). پیش از مخلوط کردن بیودیزل با سوخت فسیلی، باید وسکوزیته بیودیزل کم شود.

طبق برنامه‌های اتحادیه اروپا، درصد سوخت زیستی نسبت به سوخت فسیلی در سال 2020 باید 20 درصد باشد و در سال 2030 باید به 30 درصد برسد. اما نکته‌ای که همیشه باید مد نظر قرار داد این است که این اهداف دست‌یافتنی هستند، اما آنچه دست‌یافتنی نیست، جایگزینی کامل سوخت‌های زیستی به‌جای سوخت‌های فسیلی است.

افزایش استفاده از سوخت‌های زیستی _به‌خصوص بیواتانول و بیودیزل- نیاز به منابع عظیم کشاورزی دارد تا به این اهداف زیستی دست بیابیم. دسترسی به بیواتانول آسان‌تر و کم‌دغدغه تر است، نسبت به دسترسی به بیودیزل. بیواتانول تولیدشده از نیشکر، ذرت یا هر نوع غلات دیگر؛ به‌سادگی می‌تواند با هر نسبت با بنزین مخلوط شود تا سوخت زیستی مایع برای استفاده در موتورهای اشتعال جرقه‌ای بدست آید. خاصیت رئولوژیکی بیواتانول شباهت زیادی به بنزین دارد.

در واکنش ترانس‌استریفیکاسیون برای تولید بیودیزل، 10 درصد از وزن کل بیودیزل، گلیسرول است. گلیسرول باید به‌طور کامل از بین برود، زیرا دمای زیاد حاصل از آن در موتورها باعث تشکیل پلیمرهای گلیسرول و همچنین آکرولئین می‌شود که دارای سمیت بالایی است. برای از بین بردن گلیسرول، باید چندین شستشو با آب انجام شود که این روند فرایند را گران‌تر و فرسایشی‌تر می‌کند.

سوخت‌های زیستی بدست آمده توسط کراکینگ یا پیرولیز، هیدرو دی اکسیژناسیون و هیدرودسولفوریزاسیون؛ با این که ساختاری شبیه به سوخت فسیلی دارند؛ اما از آن‌ها با لفظ “دیزل تجدیدپذیر” یاد می‌شود. همانطور که پیش از این بیان شد، موانعی بر سر راه جایگزین کردن سوخت‌های زیستی به‌جای سوخت‌های فسیلی وجود دارد و همین بحث باعث شده است که استفاده از روغن‌های گیاهی مستقیم (SVO) به‌عنوان راهکاری مناسب، استفاده شود.

راه‌های پیش‌رو برای مدیریت هرچه بهتر فرایند استفاده از سوخت زیستی دیزل، در دو روش پیشنهاد می‌شود:
1. تغییر در طراحی موتور و پارامترهای عملیاتی
2. استفاده از مواد افزودنی که باعث کاهش ویسکوزیته مخلوط می‌شود

اما نکته حائز اهمیت این است که گزینه اول عملی نیست، چرا که به جهت تکثر وسایل نقلیه، هزینه‌بر و انرژی‌بر خواهد بود. این مطالعه با هدف ارزیابی امکانات واقعی بیودیزل برای گذار انرژی انجام شده است و هدفش این است که فرایندهای جایگزین را مورد کنکاش قرار بدهد.

در جدول زیر چکیده‌ای از جوانب مثبت و منفی روش‌های فعلی برای بدست آوردن سوخت‌های زیستی از روغن‌های گیاهی مختلف اشاره شده است:
 
LVLC – روغن‌های گیاهیدیزل سبز

سوخت زیستی

شبه-بیودیزل

دیزل زیستیسوخت زیستی
100 درصد85 درصد100 درصد85 درصدبازده اتمی
پسماند نداریمCO و CO2 و H2O2 (به میزان 15 درصد)پسماند نداریمگلیسرول به میزان 15 درصدمحصول جانبی/تولید پسماند
نیاز نیستنیاز نیستنیاز نیستکمپلکس، مصرف آب زیادفرایند پاک‌سازی
بالاپائینبالابالاروان بودن
بسیار سادهسادهسادهکمپلکستولیدات صنعتی
نداریمپائینپائینبالااثر زیست‌محیطی
شایان ذکر است که فناوری‌هایی برای انجام فرایند جایگزینی سوخت‌های فسیلی موجود است که برخی از آن‌ها دارای مزایای مشخص در رابطه با فرایند متعارف تولید بیودیزل هستند. در حقیقت، فناوری تبدیل تری‌گلیسیرید های تجدیدپذیر به سوخت‌های سبز در طی پنج‌دهه گذشته در پالایشگاه‌های نفتی توسعه یافته است. تلاش ها طی سال های اخیر بر آن است که روش های بهینه سازی مورد استفاده واقع شوند و تمرکز اصلی بر روی یافتن کاتالیزور مناسب در این حیطه و نیز پیاده سازی شرایط بهینه است.
 
دیزل سبز را می توان با استفاده از فرایندهایی بر روی روغن‌ها و لیپیدهایی که از امکانات فعلی پالایشگاههای نفتی استفاده می کنند، با استفاده از همان کاتالیزورهای رایج و نیز با استفاده از همان راکتورهای مورد استفاده در روش های گرماشیمیایی دیزل فسیلی، بدست آورد. پارافین‌های بدست آمده طی این ساز و کار، ترکیبات با کیفیتی هستند که بلافاصله با استفاده از سیستم لجستیک فعلی قابلیت توزیع و عرضه دارند.
 
پیشرفت‌ها در زمینه “دیزل سبز” بسیار بالا است، اما این پیشرفت‌ها نباید مانع از انجام تحقیق‌های جدید در این حیطه شود. به‌ویژه این که واکنش ترانس‌استریفیکاسیون گلیسرول تولید می‌کند که عاملی مزاحم و کنترل‌کننده شرایط اقتصادی است و باید حذف شود. در زمینه سوخت‌های زیستی مانند بیودیزل که عملاً در دهه گذشته توسعه یافته‌اند، این مطلب قابل ذکر است که بازده اتمی 100 درصد می‌باشد و در اکثر مواقع بدون ایجاد عامل دورریز و مزاحم بدست می‌آید. علاوه بر این، سوخت‌های زیستی بدست آمده برای کار در موتورهای فعلی نیازی به فرایندهای پاک‌سازی یا پالایش ندارند.
 
ترکیباتی موجود است که چگالی انرژی کمی دارند و اصطلاحاً LVLLC نامیده می‌شوند. با وجود این که استفاده از آن‌ها امر جدیدی است، اما نتایج این کاربرد، قابل بحث است؛ زیرا که منجر به تبدیل شدن به یکی از بهترین روش‌ها برای کاهش هرچه بیشتر هزینه‌های ناشی از سوخت‌های زیستی در موتورهای دیزلی موجود می‌گردد. دسترسی فنی و اقتصادی به LVLLC زمینه ای جذاب در حیطه سوخت های زیستی است؛ زیرا که هم مهم است، هم کم به آن پرداخته شده است.

دیزل و موتورهای دیزلی

طبق نظر محققان و نیز بر اساس پیمان‌های آب و هوایی کیوتو و سایر معاهدات این رده، عملاً این تصمیم نهایی بدست آمد که روغن‌های گیاهی ماده اولیه برای تولید سوخت‌های زیستی هستند. اکثر خواص رئولوژیکی بیودیزل -به‌عنوان سوخت زیستی- در موتورهای دیزلی فعلی بهینه است، فقط ویسکوزیته بالا مشکل اصلی است.

تحقیقات اولیه در مقیاس آزمایشگاهی و در یک کارخانه آزمایشی نشان داد که مخلوط روغن نباتی با دیزل نمی‌تواند از 10 درصد تجاوز کند، زیرا که ویسکوزیته بیش از حد بالا می‌رود. ویژگی‌های بیودیزل زیست‌تخریب‌پذیر عبارت‌اند از: غیر سمی بودن، قابل‌تجدید بودن، عدد ستان بالا داشتن و نقطه فلش بالا داشتن. بیودیزل زیست‌تخریب‌پذیر دارای اکسیژن در ساختار خود است که باعث احتراق بیشتر می‌شود.

با این که بیودیزل در دهه‌های اخیر موضوع تحقیقاتی جدی بوده است، همچنان تحقیقات پیرامون آن ادامه دارد و در حالی پیشروی است. اما واکنش ترانس‌استریفیکاسیون که برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار می‌گیرد، نقصی بزرگ دارد و آن این است که در واکنش ترانس‌استریفیکاسیون محصول جانبی گلیسرول تولید می‌شود.

واکنش ترانس استریفیکاسیون
واکنش ترانس استریفیکاسیون

تولید زیاد بیودیزل -به‌خصوص در سه دهه گذشته- مقادیر زیادی دورریز به‌عنوان محصول اصلی تولید کرده است. این ترکیب دورریز حدود 10 الی 20 درصد از حجم کل بیودیزل را به خود اختصاص می‌دهد. مقدار بیش از حد گلیسرول، باعث شده است که ارزش تجاری گلیسرول کاهش یابد، زیرا ناخالصی وارد آن شده است و از این طریق کیفیتش کم شده است و نیز این که آب و متانول و نمک در درون خود دارد.

پیش‌بینی ها حاکی از آن است که تا سال 2020، تولید جهانی گلیسرول به 7.66 میلیون تن برسد. برای حل این مشکل (کاهش گلیسرول) شمار مختلفی از تحقیقات پیرامون سرعت بخشیدن به فرایندهای کاهشی تمرکز نموده‌اند و در حال حاضر محققان به سمت توسعه روش‌های جدید و مقرون‌به‌صرفه از نظر اقتصادی، رفته‌اند. همچنین تلاش‌ها بر این است که برای گلیسرول خام در بخش صنعتی، ارزش‌گذاری انجام شود.

تمیز کردن گلیسرول معمولاً با استفاده از مراحل شستشوی پیوسته انجام می‌شود که این کار نیاز به مصرف میزان زیاد آب، انرژی و زمان دارد. واکنش ترانس‌استریفیکاسیون در رأکتور در شرایط هم زدن ثابت و دمای 60 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. سپس گلیسرول طی فرایندهای جداسازی، جدا می‌شود. طبق EN 14214، میزان گلیسرول در بیودیزل تصفیه‌شده نباید از 0.02 درصد بیشتر شود؛ زیرا واکنش این گلیسرول با اکسیژن داخل موتور در دمای بالا آکرولئین تولید می‌کند که با پلیمریزاسیون باعث ایجاد رسوبات کربن می‌شود.

واحد تولید بیودیزل
واحد تولید بیودیزل

تصفیه بیودیزل معمولاً با خنثی‌سازی و چند مرحله شستشو با آب گرم برای از بین بردن گلیسرول و همچنین همه ناخالصی‌های معدنی انجام می‌شود. پس از شستن بیودیزل، در تبخیرکننده خشک می‌شود تا آب باقی‌مانده از آن خارج شود. بنابراین، پیچیدگی فرایند تولید، که عمدتاً با تولید گلیسرول به‌عنوان یک محصول ثانویه همراه است، هزینه تولید بیودیزل معمولی را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

در این روش، هزینه قیمت دیزل، حدود 1.5 الی 3 برابر بیشتر از سوخت دیزل فسیلی است. در یک مطالعه جدید در مورد امکان‌سنجی اقتصادی بیودیزل از طریق هزینه چرخه عمر آن، این نتیجه حاصل شد که اگر شرایط تولید بیودیزل به‌اندازه کافی بهینه شود و یک ماده اولیه کم‌هزینه استفاده شود، این سوخت زیستی می‌تواند با دیزل فسیلی قابل رقابت باشد. گلیسرول در حال حاضر به‌عنوان یکی از مولکول‌های اصلی بسترهای نشئت گرفته از زیست‌توده در نظر گرفته شده است و تحقیقات زیادی بر روی تبدیل گلیسرول به محصولات با ارزش افزوده مانند آکرولئین، مواد افزودنی سوخت اکسیژن، سوخت‌های زیستی و پلیول‌ها متمرکز شده است.

علیرغم میل عظیمی که در سراسر جهان توسط محققان، صنعتگران و دولت‌ها نسبت به استفاده از بیودیزل موجود است، امکان‌سنجی اقتصادی آن هنوز یکی از مهم‌ترین اشکالاتی است که باید در تصمیم‌گیری برای ادامه یا عدم پیشرفت این امر مهم در نظر گرفته شود.

بررسی دقیق گلیسرول موجود در بیودیزل

حدود یک دهه پیش، شماری از محققان به این نتیجه رسیدند که مشکل در مدیریت گلیسرول در هنگام سنتز بیودیزل، مشکلاتی فنی و اقتصادی بوجود می‌آورد. فرایندی توسط آن‌ها پیشنهاد شد که در حقیقت جایگزین کردن الکل‌های به کار رفته در فرایند متداول (متانول یا اتانول) توسط استرها است. طی دهه گذشته، چندین روش برای تهیه استرها از چربی‌ها با استفاده از گیرنده‌های مختلف acyl بررسی شده‌اند. این فرایندهای ویژه، با استفاده از اهداکنندگان جایگزین الکل مانند متیل یا اتیل استات و دی متیل یا دی اتیل کربنات، به‌جای استفاده از متانول؛ با همان کاتالیزورهای معمولی و رایج که در فرایندهای ترانس‌استریفیکاسیون استفاده می‌شوند، انجام می‌شوند.

در سال 2004، محققان پژوهشگاه شیمی صنعتی در وارسو (لهستان)، گونه جدیدی از سوخت‌های زیستی -گلیپرول- را اختراع کردند. گلیپرول از طریق واکنش تری‌گلیسرید ها با متیل استات، در حضور یک کاتالیزور اسیدی بدست می‌آید و محصولات واکنش ترکیبی از اسیدهای چرب متیل استر و گلیسرول تری استات می‌باشند.

همراه با تری‌استین، مقادیر کمی دیاستین و مونو استین بدست آمد. این ترکیبات و همچنین مقدار زیاد متیل استات، نیازی به جداسازی آن‌ها از مخلوط سوخت‌های زیستی ندارد، زیرا همه آن‌ها در دیزل فسیلی به‌صورت محلول حضور دارند.

واکنش اینتر-استریفیکاسیون مولکول های تری گلیسرید
واکنش اینتر-استریفیکاسیون مولکول های تری گلیسرید

نویسندگان این مقاله، چند پارامتر را طی واکنش مورد مطالعه و بررسی قرار دادند. به‌عنوان مثال، آن‌ها نسبت مولی روغن به متیل استات را در محدوده 1 به 3 الی 1 به 9 در نظر گرفتند؛ برای دما نیز محدوده 40 تا 200 درجه سانتی‌گراد را لحاظ نمودند.

گلیپرول دارای خواصی مشابه با سوخت زیستی است و فرایند جذب آن باعث افزایش بازده، کارایی و امکان‌سنجی اقتصادی فرایند جذب بیودیزل می‌شود. پس از اختراع گلیپرول، مطالعات زیادی انجام شد که از کاتالیزورهای اساسی همگن استفاده می‌کنند. این کاتالیزورها عبارت‌اند از: پتاسیم هیدروکسید، پتاسیم متاکسید و پلی اتیلن گلیکولات.

مطالعات نشان می‌دهند که شرایط واکنش برای بدست آوردن گلیپرول مشابه بیودیزل است. به همین ترتیب، این واکنش بر روی کاتالیزورهای اسید ناهمگن و همچنین استفاده از لیپازها به‌عنوان کاتالیزورهای زیستی، چه در سیستم‌های بدون حلال و چه در مایعات یونی بررسی شده است.

علاوه بر این، بسیاری از فناوری‌های نوآورانه دیگر نیز مورد استفاده قرار گرفته است؛ مانند شرایط فوق بحرانی یا به کمک مافوق صوت. روشی دیگر که برای تولید گلیپرول استفاده می‌شود، کار کردن روی تری‌گلیسرید توسط متیل استات و اتیل استات است. این در حالی است که تا کنون کمتر از متیل استات در مطالعات استفاده شده است.

با توجه به تأثیر تری‌استین بر عملکرد موتور، تا کنون مطالعات زیادی پیرامون این مبحث منتشر شده است. تری‌استین به‌عنوان یک ماده افزودنی ضد ضربه در موتورهای دیزلی با تزریق مستقیم عمل می‌کند. با در نظر گرفتن مطالعات انجام شده بر روی مخلوط‌های تری‌استین/ بیودیزل و تری‌استین/ دیزل؛ ترکیب 10 درصد وزنی تری‌استین با بیودیزل، نتیجه قابل‌قبولی از خود نشان داد.

در مورد پایا ماندن اقتصادی روند تری‌گلیسیرید ها با استرهای متیل یا اتیل اسید استیک، مطالعات اقتصادی زیادی وجود دارد که از آن‌ها در رابطه با فرایندهای بیودیزل معمولی پشتیبانی می‌کند. بنابراین، می‌توان چنین نتیجه گرفت که تحت تأثیر قرار دادن تری‌گلیسرید ها با متیل یا اتیل استات، می‌تواند روشی مناسب برای بدست آوردن بیودیزل معمولی (FAME یا FAEE) باشد.

همچنین شامل مقدار مشخصی از یک ماده افزودنی مطرح -تری‌استین- است که باعث بهبود عملکرد سوخت می‌شود. شایان ذکر است که بیودیزل باعث کاهش انتشار می‌شود و فرایند سنتز سوخت‌های زیستی را بسیار ساده می‌کند. نظر محققان این است که در صورت استفاده از تری‌استین، کیفیت بیودیزل افزایش می‌یابد. نکته دیگر این است که بازده اتمی در این حالت 100 درصد است که در قیاس با گلیسرول بدست آمده در واکنشی جانبی، فرایندی رو به جلو و سودمند است.

به‌طور مشابه با متیل استات، دی متیل کربنات (DMC) نیز می‌تواند به‌عنوان یک معرف اینتر-استریفیکاسیون برای جذب استرهای گلیسرول از لیپید استفاده شود و مستقیماً محصولاتی در محلول بیودیزل تولید نماید. استفاده از DMC نکات ویژه‌ای به ما نشان می‌دهد. مثلاً این که این ماده نمونه‌ای از یک معرف سبز است، زیرا علاوه بر این که یک مولکول خوش‌خیم است (غیرسمی، خیرخورنده، غیر قابل اشتعال)، نسبت به متانول سمیت کمتری دارد.

گرچه سنتز مستقیم DMC از متانول و دی‌اکسید کربن است، اما باید توجه داشت که مواد اولیه برای تولید DMC -یعنی متانول و مونوکسید کربن- از گاز سنتز حاصل می‌شوند. استفاده از DMC ها به‌عنوان محیط واکنش بسیار مورد توجه قرار گرفته است، زیرا که عملکرد آن‌ها در طیف گسترده‌ای از واکنش‌ها از قبیل سنتز پلی‌کربنات، سنتز پلی‌اورتان، معرف‌های کربوکسیلاسیون، معرف‌های آلکیله‌کننده و حلال‌های قطبی مشاهده شده است.

سوخت تولید شده با DMC و روغن‌های گیاهی یا چربی‌ها به‌عنوان مواد اولیه، باید به‌عنوان سوخت جایگزین در نظر گرفته شود. این مواد کاملاً از منابع تجدیدپذیر مشتق شده‌اند. بنابراین، دی متیل کربنات به‌عنوان گیرنده acyl عمل می‌کند. به این ترتیب، یک ماده جدید شبه-بیودیزل (که اختصاراً DMC-BioD نامیده می‌شود)، به‌منظور شرکت در واکنش روغن گیاهی با دی متیل کربنات نقش دارد.

تنها تفاوت بین DMC-BioD و بیودیزل، وجود اسیدهای چرب گلیسرول کربنات (FAGCs) علاوه بر FAMEs است. در حقیقت، این فرایند با همان کاتالیزورهای اساسی شرح داده شده در تولید بیودیزل مانند پتاسیم هیدروکسید، متیل سدیم، سدیم هیدرید، برخی از آمین‌ها و همچنین مواد جامد قلیایی مختلف، به‌عنوان کاتالیزور پایه ناهمگن در شرایط مختلف آزمایشگاهی عمل می‌کند.

با توجه به این که این میل و رغبت وجود داشته که کار ادامه پیدا کند، شرایط فوق بحرانی با استفاده از لیپازهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. به‌تازگی، DMC در رابطه با سنتز اسیدهای چرب متیل‌استر از طریق مایعات یونی یا ترانس‌استریفیکاسیون غیرکاتالیزوری روغن‌های گیاهی با دی متیل کربنات و برخی نرخ‌های بارگیری سیلیکا مورد بررسی قرار گرفته است.

واکنش اینتر-استریفیکاسیون در حضور کاتالیزور آلکالین
واکنش اینتر-استریفیکاسیون در حضور کاتالیزور آلکالین

این سوخت زیستی با نام DMC-BIOD ثبت اختراع شده است. در این مخلوط مقدار کمی گلیسرول دی کربنات (GDC) و گلیسرول کربنات (GC) نیز به‌دلیل تجزیه مولکول‌های FAGC بدست می‌آید. به‌طور خلاصه، تفاوت اصلی بین سوخت‌های زیستی DMC-BIOD و بیودیزل رایج، وجود مقادیر مونو استرهای کربنات گلیسرول اسید چرب، گلیسرول دی کربنات و گلیسرول کربنات علاوه بر FAME ها است که در تشکیل بیودیزل دست دارند.

این مشتقات گلیسرول در سوخت بیولوژیکی کاملاً محلول هستند، به این معنی که تمام محصولات واکنش را می‌توان به‌عنوان سوخت زیستی و بدون انجام هرگونه عمل جداسازی اضافی استفاده کرد و نیز از این قابلیت بهره برد که بازده بدست آمده برای بخش اتمی، 100 درصد است. لازم به توضیح است که احتیاج نیست DMC بدون واکنش از هم جدا شود، زیرا به‌دلیل دارا بودن اکسیژن زیاد در این مولکول، می‌توان از آن به‌عنوان ماده افزودنی دیزل فسیلی استفاده کرد.

همه تلاش‌ها در حالی صورت گرفته که فرایندهای کاتالیزوری تولید بیودیزل طی سالیان اخیر روندی رو به رشد داشته و سال‌ها مورد بحث توسط محققان بوده است. تحقیقات زیادی در این حیطه انجام شده که به علت عدم جمع‌بندی آن‌ها، راه به جایی نبرده‌اند. این نکته همیشه باید مد نظر قرار بگیرد که فرایند تولید بیودیزل یک مسئله است، اما مسئله مهم‌تر از آن، جلوگیری از تولید محصولات جانبی می‌باشد.

روشی دیگر در این حیطه موجود است و آن استفاده از ماهیت انتخابی مواد پیش از لیپاز است. این امر باعث می‌شود که این روند (تولید گلیسرول) در مرحله دوم واکنش ترانس‌استریفیکاسیون متوقف شود. در مقایسه با روش رایج تولید بیودیزل، برای جلوگیری از تولید گلیسرول، شرایط کار در فرایند آنزیمی بسیار نرم‌تر و بدون تولید ناخالصی‌های اسیدی یا قلیایی است. یکی دیگر از ویژگی‌های خاص فرایند آنزیمی این است که لازم است به‌جای متانول از اتانول استفاده شود، بنابراین از این طریق مخلوطی از FAEE تولید می‌شود.

سوخت زیستی شبه-بیودیزل
سوخت زیستی شبه-بیودیزل

مهم‌ترین نقصی که بخش صنعتی در جهان با آن در کشاکش هستند، این است که این آنزیم‌ها از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیستند، زیرا که قیمت بالای لیپازهای PPL به قدری بالاست که اگر فرایند را به‌نحوی پیش ببریم که امکان استفاده مجدد از آن‌ها نیز فراهم باشد، باز هم مقرون‌به‌صرفه نیست و به همین خاطر است که در دهه گذشته، تعداد بالایی از لیپازهای کم‌هزینه، چه به‌صورت آزاد و چه در صورت ثابت قرار دادن‌شان روی یک سطح، مورد بررسی قرار گرفته است؛ که در همه موارد کارایی فنی فرایند را نشان می‌دهد.

قیمت بالای لیپازها اخیراً تحقیقات جدیدی را برای جستجوی فرایند مقرون‌به‌صرفه تر برای تولید Ecodiesel معطوف به خود نموده است؛ از جمله استفاده از KF یا CaO پشتیبانی شده به‌عنوان کاتالیزور ناهمگن و همچنین کاتالیزور قلیایی همگن مانند سدیم متیوکسید.

تحت این شرایط می‌توان از متانول نیز استفاده کرد که ترکیبی از FAME را تشکیل می‌دهد. در کاتالیز آنزیمی، اتانول باید حتماً حضور داشته باشد، زیرا متانول توانایی کاتالیز زیستی لیپاز را مهار می‌کند. بنابراین، سایت‌های اصلی ناهمگن ضعیف‌تر، به‌اندازه کافی قوی هستند تا بتوانند نقشی ترکیبی در الکل‌های اولیه انجام دهند؛ اما برای بدست آوردن متانولیز الکل‌های ثانویه به‌اندازه کافی قوی نیستند. در صورت استفاده از کاتالیز فلز قلیایی همگن، انتخاب‌های موجود با عملکرد در دماهای کافی کاهش می‌یابد.

در همین راستا، اخیراً توضیح داده شده است که تولید Ecodiesel از روغن کرچک و همچنین از روغن آفتابگردان، استفاده از سدیم متیوکسید به‌عنوان یک کاتالیزور همگن و استفاده از مخلوطی از متانول و اتانول که در آن اتانول به‌عنوان حلال متانول عمل می‌کند تا واکنش‌پذیری آن را کاهش دهد، قابلیت انجام دارد. دمای واکنش به‌کار رفته 30 درجه سانتی‌گراد است، پایین‌تر از دمایی که در سنتز بیودیزل معمولی مورد استفاده قرار گرفت.

رفتار این سوخت‌های زیستی در یک موتور دیزل معمولی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده با استفاده از یک موتور دیزل احتراق نشان‌دهنده آن است که سوخت‌های زیستی مختلف مورد مطالعه هیچ تفاوتی با توجه به توان تولیدی ندارند؛ اگرچه در برخی موارد افزایش اندک در مصرف سوخت نسبت به دیزل فسیلی خالص حاصل شد. با این حال، با استفاده از سوخت‌های زیستی مورد استفاده، میزان چشمگیری از انتشار آلاینده‌ها -حدود 40 درصد- به‌طور عمده با مخلوط دیزل-روغن کرچک، کاهش می‌یابد.

بنابراین در شرایط آزمایشگاهی برای یافتن یک فرایند انتخابی که منجر به درصد بالای MG در مخلوط نهایی FAME می‌شود، نه تنها کاربرد بالایی دارند، بلکه نیازی به انجام هرگونه عملیات تصفیه اضافی نیز نیست، زیرا گلیسرول تولید نمی‌شود و الکل بدون واکنش می‌تواند به‌عنوان بخشی از مخلوطی که سوخت‌های زیستی را تشکیل می‌دهند، باقی بماند. این به‌نحوی است که بازده اتمی فرایند عملاً 100 درصد است؛ زیرا تمام معرف‌ها در سوخت‌های زیستی نهایی ادغام می‌شوند. علاوه بر این، در تحقیقات اخیر نشان داده شده است که MG باعث افزایش روانکاری بیودیزل می‌شود.

دی متوکسی متان (DMM) علاوه بر گلیسرول، به‌عنوان یک معرف هم استفاده می‌شود. این واکنش‌دهنده یک مایع بی‌رنگ و قابل‌اشتعال است و دارای نقطه‌جوش کم، ویسکوزیته پایین و قدرت حل‌کننده عالی است. از دیگر ویژگی‌های آن، این است که دارای بوی کلروفرم و طعمی تند است و در سه قسمت آب محلول است و با رایج‌ترین حلال‌های آلی، نمک‌ها و سایر مواد زائد محلول در آب قابل حل است.

سوخت زیستی پیشرفته ی مشتق شده از گلیسرول
سوخت زیستی پیشرفته ی مشتق شده از گلیسرول

در کشور چین در سال 1930 فعالیت‌هایی در حیطه تولید بیودیزل انجام شد و از این جهت، این کشور پیشگام است. این روش‌ها برای استفاده در روغن‌هایی با محتوای بالای اسیدهای چرب آزاد توصیه می‌شود، زیرا غلظت بالایی از صابون‌ها ایجاد می‌شود و کاتالیزور غیرفعال می‌شود.

از سه دهه پیش، انتقال انرژی مناسب‌ترین روش برای کاهش ویسکوزیته روغن‌های گیاهی شناخته شده است. هدف، تبدیل آن‌ها به مخلوطی از متیل استرهای اسیدهای چرب با واکنش ترانس‌استریفیکاسیون تری‌گلیسیرید بود. این مخلوط‌ها بیودیزل یا FAME نامیده می‌شدند و دارای خواص رئولوژیکی بودند که امکان استفاده از آن‌ها را به‌عنوان سوخت در مخلوط‌هایی با دیزل فسیلی به هر نسبت دلخواه فراهم می‌آورد.

در مدت زمان یک دهه بعد و پس از تلاش برای تعیین چارچوب در این حیطه، مشخص شد که این فرایند در سطوح صنعتی یک سری مشکلات فنی و زیست‌محیطی را به نمایش گذاشته است که از نظر فنی و اقتصادی این راهبرد را از نظر عملی با چالش مواجه ساخته است. سرانجام، مطالعه مخلوط روغن‌های گیاهی با حلال‌های مختلف که دارای ویسکوزیته کم هستند، به‌عنوان روشی برای کاهش ویسکوزیته روغن‌های گیاهی در نظر گرفته می‌شود.
 

در دهه گذشته، کاتالیزورهای ناهمگن مختلف معرفی شده است که با استفاده از یک فرایند گرماشیمیایی قادر به تبدیل روغن‌های گیاهی مختلف به آلکان‌های معمولی هستند. ویژگی‌های آن‌ها عبارت است از: داشتن نقاط جوش در محدوده بنزین یا دیزل، تهیه جایگزین‌های دیزل فسیلی، مناسب برای استفاده در موتورهای احتراق داخلی و عدم نیاز به هیچ‌گونه اصلاح. سوخت‌های سبز را می‌توان به‌عنوان نفتا، سوخت جت و دیزل طبقه‌بندی کرد . در مورد دیزل سبز، تقاضای آن می‌تواند تا سال 2020 به 900 میلیون تن برسد.

دسته واکنش های مولکولی در هیدروپراسسینگ تری گلیسرید
دسته واکنش های مولکولی در هیدروپراسسینگ تری گلیسرید

اخیراً به‌منظور کاهش هرچه بیشتر هزینه تولید سوخت‌های زیستی موتورهای دیزل فعلی، به‌جای انجام هرگونه درمان شیمیایی تری‌گلیسیرید، امکان استفاده از مخلوط روغن‌های گیاهی با حلال‌های خاص کم‌ویسکوز مورد بررسی قرار می‌گیرد. به‌تازگی توضیح داده شده است که روغن کاج (ویسکوزیته: 1.3 سانتی‌استوک) در ترکیبات با روغن کرچک مورد استفاده قرار گرفته است تا ویسکوزیته بالای این روغن (ویسکوزیته: 226.2 سانتی‌استوک) را جبران کند.

اساسی‌ترین مشکلی که در تولید سوخت‌های زیستی شبه-بیودیزل وجود دارد، سیستم کاتالیزوری مورد استفاده است که در حقیقت چالش‌برانگیز ترین قسمت کار است. این کاتالیزورها در سیستم‌های قلیایی همگن و یا لیپازهای مختلف استفاده شده‌اند. بی‌شک، یکی از زمینه‌ها که همتی بیشتر از پیش می‌خواهد، همین بخش است؛ زیرا که هم فضای رقابتی پیرامون آن موجود است، هم این که اشکالات وارده بر سیستم‌های همگن (خنثی‌سازی، جداسازی و پاک‌سازی محلول) باید مورد بررسی قرار بگیرد. بحث دیگر، کاهش قیمت اقتصادی لیپازها است.

امکان عملی‌سازی فنی و اقتصادی فرایندهایی که در حال حاضر موجود هستند، عرصه‌ای رقابتی است که یکی از ارکان آن استفاده از کاتالیزور ناهمگنی است که قادر به انجام کارا و مفید فرایندهای زیستی باشد. فعالیت آن باید به‌نحوی باشد که تعاملی سازنده با اعضای دخیل در واکنش داشته باشد. یعنی کاتالیزور ناهمگن یکی از مهم‌ترین فاکتورهایی است که امکان تولید سوخت‌های زیستی مانند بیودیزل را فراهم می‌آورد.

نتیجه‌گیری

1. سوخت‌های زیستی به‌عنوان جایگزینی بالقوه برای سوخت‌های فعلی مبتنی بر نفت مورد توجه قرار گرفته‌اند، زیرا آن‌ها امکان تعویض دیزل فسیلی در موتورها را بدون هیچ‌گونه تغییر در موتورها فراهم می‌کنند. علاوه بر این ، آن‌ها همچنین مشخصات مطلوبی را در گازهای ساطع‌شده در احتراق نشان می‌دهند و نسبت به سوخت فسیلی مونوکسید کربن، دی اکسید گوگرد و هیدروکربن‌های سوخته کمتر تولید می‌کنند. بنابراین سوخت‌های زیستی بدست آمده از روغن‌های گیاهی می‌توانند نقش اساسی در جایگزینی سوخت‌های فعلی مشتق‌شده از نفت داشته باشند.

2. در سناریوی فعلی انرژی، جایگزینی کامل سوخت‌های مشتق‌شده از نفت با سوخت‌های زیستی؛ به‌علت مشکلات اقتصادی و نیز قیمت‌های بالا، غیرممکن است.

3. ناامنی انرژی و تغییرات آب و هوا، نیروهای محرکی به اندازه کافی موجود برای تحریک توسعه سوخت‌های زیستی در سراسر جهان هستند. در هر صورت، این همچنین حاکی از پتانسیل بسیار خوب این سوخت‌ها برای تحریک بخش تجاری است.

4. با استفاده از “دیزل سبز” و تمرکز بر بخش اقتصادی و صنعت؛ می‌توان کاهش قابل‌توجهی در هزینه‌ها بدست آورد. در واقع قیمت‌ها به‌قدری پائین است که این اختلاف مشهود است.

5. کاهش گازهای گلخانه‌ای. در حقیقت توسط کاهش دی‌اکسید کربن تولیدشده توسط بخش‌های صنعتی انجام می‌شود.

6. جدیدترین راهبردها در نهایت باعث دستیابی به موتورهای دیزل رده-CI می‌شوند. مهم‌ترین هدف این است که به‌منظور رعایت مقررات، ویسکوزیته سینماتیکی روغن‌ها را به سطوح مناسب کاهش دهیم. این واقعیت را می‌توان با مخلوط کردن روغن‌های گیاهی با ترکیبات کم‌ویسکوز با منشأ مختلف بدست آورد.

7. به‌عنوان یک نتیجه‌گیری کلی، می‌توان اظهار داشت که هر یک از روش‌های جایگزین ارائه‌شده در دهه گذشته قادر به رقابت با بیودیزل معمولی هستند تا بلکه بتوانند جایگزینی تدریجی  سوخت‌های فسیلی را بدست آورند. البته لازم به ذکر است که بایستی عمده توجه‌ها باید معطوف بر ناوگان حمل و نقل باشد و نیز این که طراحی در موتورهای دیزلی CI باید مد نظر قرار بگیرد زیرا این بخش، نیاز به اجرای ایده‌هایی جدید دارد.

8. لازم است که سوخت زیستی تولیدشده توسط روش های مذکور، با استاندارد ASTM D 6751 تطبیق داده شود. زیرا که عرضه و تقاضا باید به نحوی پیش برود که استاندارد EN 14214 که برای سوخت های زیستی تدوین شده است، مورد پذیرش طیف عمومی قرار بگیرد و اصطلاحاً آن ارزش لازمه را داشته باشد.

9. سوخت‌های زیستی تولید شده این قابلیت را دارند که در موتورهای دیزلی کار کنند و بازده خوب آن‌ها را هم به دفعات متعدد دیده‌ایم، اما نکته‌ای که نباید مغفول بماند این است که تلاش‌ها باید معطوف خودروهای پاک دیگر که با سیستم برقی و یا هیدروژنی کار می‌کنند نیز باشد. از آن جایی که این خودروها در ناوگان حمل و نقل شهری مورد استفاده قرار می‌گیرند، حائز اهمیت می‌باشند؛ زیرا که در صورت نبودن‌شان و یا حضور نه چندان خوب‌شان، باعث مشکلات محیط زیستی می‌شوند.

10. نکته‌ای که باید در زمینه تقابل خودروهای دیزلی و خودروهای برقی/ هیدروژنی مد نظر داشت، این است که برای برخی از تیپ خودروها -مانند ماشین‌های سنگین و بخش هواپیمایی- نمی‌توان از هر فرایند و یا سیستمی استفاده کرد و در حقیقت در آن‌جا باید بهترین گزینه را یافت.

نمایش بیشتر

نوشته‌های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
EnglishIran
بستن
بستن