دیدگاهزیست تودهسوخت زیستی

تبدیل ترموشیمیایی زیست‌توده‌های چوبی به انرژی، سوخت و مواد شیمیایی

زیست‌توده‌ها به عنوان یک منبع پایدار، تجدیدپذیر و پاک می‌توانند به روش‌های مختلف برای تولید انرژی، سوخت و مواد شیمیایی استفاده شوند. با این حال، ساختار فیزیکی و ترکیبات شیمیایی پیچیده زیست‌توده‌ها، مانع از تبدیل ساده آن‌ها به سوخت‌های مایع و گازی می‌شود. در این نوشته پیشرفت‌های اخیر در فناوری تبدیل زیست‌توده‌ها به انرژی، سوخت‌ و مواد شیمیایی بررسی شده است. در واقع به صورت خلاصه سه فرایند حرارتی- شیمیایی (thermochemical) پیرولیز، مایع‌سازی حرارتی (thermal liquefaction) و گازی‌سازی (gasification) بررسی شده است.


مقدمه

منابع فعلی انرژی و مواد شیمیایی عمدتاً شامل سوخت‌های فسیلی می‌شود که موجب دو نگرانی مهم یعنی عدم قطعیت برای تأمین مداوم انرژی‌ و انتشار گازهای گلخانه‌ای شده است. بنابراین یافتن منابع پاک و تجدیدپذیر بسیار حائز اهمیت است. در میان انرژی‌های تجدیدپذیر، زیست‌توده‌ها به دلیل فراوانی و پتانسیل بالقوه می‌توانند برای تولید انرژی، سوخت و مواد شیمیایی استفاده شوند. زیست توده‌ها کربن‌دی‌اکسید جو را از طریق فتوسنتز جذب می‌کنند، بنابراین به عنوان یک حامل انرژی توسط پیوندهای شیمیایی در میان مولکول‌های کربن، هیدروژن و اکسیژن در نظر گرفته می‌شود.

منابع زیست‌توده در دنیا حدود 146 میلیارد تن در سال برآورد شده است. اگر 10 درصد از زیست‌توده‌ها (با توجه به بقایای جنگل‌داری، پردازش چوب و کشاورزی) با بازده تبدیل 50 درصدی برای تولید انرژی استفاده شود، 3100 میلیارد تن انرژی معادل نفت تولید خواهد شد. این رقم بیش از 200 برابر مصرف انرژی جهان در سال 2015 است. هم‌چنین اگر 10 درصد زیست‌توده‌ها برای تولید مواد شیمیایی آلی با نرخ تبدیل 10 درصدی استفاده شود، 1.6 میلیارد تن از این مواد شیمیایی تولید می‌شود.

در حال حاضر زیست‌توده‌ها در مقیاس صنعتی و تجاری به طور عمده برای تولید گرما و برق استفاده می‌شوند. اگر چه برخی گزارش‌ها در خصوص استفاده از آن‌ها در مقیاس آزمایشگاهی برای تولید سوخت مایع زیستی گزارش شده است. این امر به دلیل بازده تبدیل کم، هزینه‌های بالا و پیچیدگی فرایند، دشوار است که به نوبه خود به ساختار فیزیکی  و ترکیبات شیمیایی پیچیده زیست‌توده‌ها مرتبط است.

فرایندهای بسیاری برای تبدیل زیست‌توده چوبی به انرژی، سوخت و مواد شیمیایی وجود دارد که به دو دسته کلی فرایندهای حرارتی- شیمیایی و فرایندهای بیوشیمیایی تقسیم شده‌اند. فرایندهای ترمو شیمیایی عبارت‌اند از احتراق، پیرولیز، گازی‌سازی و مایع‌سازی حرارتی؛ در حالی که فرایندهای بیوشیمیایی شامل تخمیر و هضم می‌باشد. فرایند احتراق کاربرد صنعتی و تجاری بیشتری نسبت به سه فرایند ترموشیمیایی دیگر دارد و به عنوان یک فناوری بالغ، اکثر جوانب آن مورد بررسی قرار گرفته است. از این‌ رو در ادامه بررسی اجمالی سه فرایند دیگر انجام شده است. برای درک بهتر چالش‌های موجود در تبدیل زیست‌توده‌ها، ابتدا ساختار فیزیکی و ترکیب شیمیایی آن‌ها بررسی می‌شود.

خصوصیات زیست‌توده‌های چوبی

ساقه گیاه مهم‌ترین بخش زیست‌توده است که ساختار و ترکیبات قابل پیش‌بینی دارد. در تبدیل زیست‌توده‌ها، ساختار و ترکیب شیمیایی از ویژگی‌های مهم و مؤثر هستند. در مقیاس میکروسکوپی، چوب از عناصر فیبری تشکیل شده است که آوند نامیده می‌شود و سلول‌های توخالی فیبری را به یکدیگر متصل می‌کند. برای چوب نرم، این سلول‌ها دارای ابعاد 2 الی 4 میلی‌متر طول، 15 الی 60 میکرومتر قطر و 1 الی 6 میکرومتر ضخامت دیواره سلولی هستند. چوب سخت نیز دارای سلول است، اما این نوع چوب دارای آوندهای طویل نامنظم در میان سلول‌های منظم است که موجب مقاومت مکانیکی چوب می‌شود.

از نظر شیمیایی، چوب از سلولز، همی‌سلولز و لیگنین تشکیل شده است. این مواد از پلیمریزاسیون مونوساکاریدها (گلوکز، فروکتوز و گالاکتوز) تولید می‌شوند که از فتوسنتز روی برگ‌ها حاصل می‌شود. سلولز یک ساختار شیمیایی نسبتاً ساده دارد که شامل حداقل ده هزار واحد بتا‌دی‌گلوکز است. همی‌سلولز یک اصطلاح است که شامل مولکول‌های مختلف است. همی‌سلولزها عمدتاً هیدروکربن‌های شاخه‌ای هستند که اجزای اصلی آن‌ها قندهای پنتوز، هگزوز، لارابینوز و دی‌زایلوز، دی‌گلوکز، دی‌مانوز و دی‌گالاکتوز هستند. لیگنین بیشترین ماده موجود در چوب است که شامل مولکول‌های آروماتیکی است که در اکثر حلال‌ها نامحلول است. لیگنین یکی از پایدارترین اجزای چوب است که تجزیه آن به واحدهای مونومر بسیار دشوار است.

ساختار شیمیایی زیست‌توده

ساختار شیمیایی زیست‌توده

علاوه بر سه جز اصلی ذکر شده، چوب حاوی سایر مواد مانند رزین و عناصر معدنی است. مواد استخراج‌ شده از چوب عمدتاً شامل اسید چرب، استرهای اسید چرب، اسیدهای رزین و فنل‌ها می‌شود که برای استفاده‌های چوب مهم است. عناصر معدنی چوب پس از احتراق یا گازی‌سازی در خاکستر چوب باقی می‌ماند. این عناصر شامل سیلیس، کلسیم، پتاسیم، منیزیم و فسفر است.

هر کدام از بخش‌های چوب، بازده تبدیل ترمو شیمیایی زیست‌توده را تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابراین آنالیز ساختار چوب قبل از انجام هر واکنشی مهم می‌باشد.

فرایندهای ترموشیمیایی

از فرایندهای ترموشیمیایی می‌توان به پیرولیز، مایع‌سازی حرارتی و گازی‌سازی اشاره کرد. در ادامه پیرامون هر سه مورد صحبت خواهد شد.

پیرولیز

پیرولیز زیست‌توده‌ها یک فرایند تجزیه ترموشیمیایی است که در غیاب اکسیژن صورت می‌گیرد و شامل محصولات مایع (bio-oil)، جامد (زغال) و گاز است. ترکیب درصد این محصولات به نوع زیست‌توده، دمای عملیاتی، میزان حرارت و زمان واکنش بستگی دارد. برای مثال برای محصول هدف مایع، سرعت گرمایش سریع، دفع سریع محصولات و دمای عملیاتی بین 400 الی 650 درجه سانتی‌گراد نیاز است.

 همی‌سلولزها دارای گروه‌های جانبی اکسیژنی هستند که در هنگام حرارت دیدن به راحتی شکسته می‌شوند. بنابراین همی‌سلولز اولین ماده در زیست‌توده‌ها است که در دمای 180 الی 270 درجه سانتی‌گراد تجزیه می‌شود. هم‌چنین سلولز در دمای بین 250 الی 350 درجه سانتی‌گراد تجزیه شده و آن‌هیدروسلولز‌ها را تشکیل می‌دهد. در میان سه جزء اصلی لیگنین دارای ساختار پیچیده و پایدارتر است که در درجه حرارت 280 الی 500 درجه سانتی‌گراد به موادی هم‌چون الیگومر و مونومرهای فنل تجزیه می‌شود. به صورت کلی می‌توان گفت که با افزایش سلولز در زیست‌توده، اسیدهای زنجیره کوتاه با محتوای خاکستر و هیدروکربن‌ها کاهش می‌یابد.

در واقع، سوخت زیستی تولید شده از طریق پیرولیز، دارای ترکیب شیمیایی بسیار پیچیده است که باعث می‌شود در حالت اولیه خود برای استفاده در برنامه‌های کاربردی سوختی یا مواد شیمیایی مشکل‌ساز باشد. تقریباً در تمام موارد صنعتی گزارش شده، سوخت زیستی برای احتراق در دیگ‌های بخار برای تولید بخار فرایند یا گرما و برق تولید می‌شود. به منظور استفاده از سوخت زیستی به عنوان سوخت مایع حمل و نقل یا تولید مواد شیمیایی، جداسازی و ارتقاء کیفیت سوخت لازم است. سوخت زیستی تولیدی توسط فرایند پیرولیز از طریق فرایندهایی مانند تصفیه‌ هیدروژنی (hydrotreating)، هیدروکراکینگ، کراکینگ کاتالیزوری، افزودن حلال و امولسیون کردن ارتقا می‌یابد. به عنوان مثال، اگر سوخت زیستی با هدف استفاده به عنوان سوخت حمل و نقل تولید شود، توسط فرایند تصفیه هیدروژنی ارتقا می‌یابد. فرایند تصفیه هیدروژنی در دمای 200 الی 400 درجه سانتی‌گراد و فشار 2 الی 5 مگاپاسکال انجام می‌شود که این فرایند شامل حذف اکسیژن و تبدیل سوخت زیستی پیچیده به هیدروکربن‌ها و آب به عنوان محصولات است.

اخیراً تحقیقات بیشتری با هدف بهبود کیفیت سوخت زیستی ساده‌سازی روند ارتقای آن انجام شده است. این فرایندها شامل پیش‌تیمار زیست‌توده‌ها، پیرولیز کاتالیستی و ترکیبی از هر دو است. برای مثال شستشوی اسیدی برای حذف عناصر معدنی نامطلوب صورت می‌گیرد، زیرا این عناصر موجب ترویج واکنش‌های ثانویه در پیرولیز بخارات می‌شود. هم‌چنین واکنش توریفیکاسیون جهت حذف آب و کاهش میزان اکسیژن در زیست‌توده انجام می‌شود. پیرولیز کاتالیستی نیز منافع زیادی برای بهبود کیفیت سوخت زیستی دارد. پیرولیز کاتالیستی دارای مزایای فراوانی مانند عدم نیاز به هیدروژن و انجام واکنش در فشار اتمسفری است. نکته کلیدی در این روش، انتخاب کاتالیست مناسب و شرایط عملیاتی مطلوب است.

به طور کلی می‌توان بیان کرد که پیرولیز، یک فرایند نسبتاً ساده است که برای تولید سوخت زیستی جهت احتراق استفاده می‌شود. استفاده از این سوخت برای وسایل حمل و نقل نیاز به خالص‌سازی و ارتقا سوخت دارد. فرایندهایی مانند پیش‌تیمار زیست‌توده، توریفیکاسیون و پیرولیز کاتالیستی می‌تواند برای بهبود این سوخت استفاده شود که موجب افزایش هزینه‌ها نیز خواهد شد. بنابراین اگر هدف از تولید سوخت زیستی به روش پیرولیز، احتراق و یا موتور احتراق سنگین باشد، روشی مناسب محسوب می‌شود.

مایع‌سازی حرارتی (Thermal Liquefaction)

مایع‌سازی زیست‌توده مشابه پیرولیز سریع است، به طوری که هر دو فرایند به دنبال تولید مایع به عنوان محصول هدف هستند. با این حال، واکنش‌های مایع‌سازی زیست‌توده در محیط مایع و در بیشتر موارد تحت فشار قرار می‌گیرند. به این ترتیب، فرایند مایع‌سازی با رطوبت بالا هم انجام می‌شود.

این فناوری به سه روش هیدروترمال، استفاده از حلال و یا استفاده از حلال و کاتالیست، می‌تواند انجام شود. محصول این فرایند دارای مقادیر کم اکسیژن و آب است پیچیدگی کمتری دارد. با این حال، فرایند مایع‌سازی پیچیده‌تر است زیرا در فشار بالا و یا با استفاده از حلال‌ها و کاتالیست استفاده می‌کند.

فرایند مایع‌سازی هیدروترمال (HTL) در دمای بین 200 الی 400 درجه سانتی‌گراد و فشار 5 الی 25 مگاپاسکال صورت می‌گیرد. در این فرایند، آب به طور معمول به عنوان محیط واسطه برای افزایش انتقال حرارت و تجزیه زیست‌توده استفاده می‌شود. مکانیسم کلی این فرایند بدین صورت است که ابتدا گسست پلیمری در زیست‌توده رخ می‌دهد و پس از تجزیه و ترکیب مجدد، پلیمریزاسیون صورت می‌گیرد.

 

مایع‌سازی هیدروترمال (HTL)

دما مهم‌ترین پارامتر عملیاتی در فرایند مایع‌سازی هیدروترمال زیست‌توده است. در محدوده دمای 200 الی 400 درجه سانتی‌گراد، بازده تولید گاز افزایش و باقی‌مانده جامد کاهش می‌یابد. با این وجود، دمای بهینه با توجه به بازده فرایند و نوع زیست‌توده متغیر است. زمان ماند یکی دیگر از پارامترهای مهم در مایع‌سازی زیست‌توده است که در اغلب موارد، بازده تولید سوخت‌ زیستی با افزایش زمان واکنش افزایش می‌یابد. زمان بهینه در واکنش هیدروترمال با توجه به نوع زیست‌توده از 20 الی 120 دقیقه متغیر است.

از حلال‌ها در واکنش مایع‌سازی زیست‌توده به منظور افزایش انتقال حرارت، تجزیه زیست‌توده و هم‌چنین به عنوان واکنش‌دهنده استفاده می‌شود. انتخاب حلال مناسب برای مایع‌سازی زیست‌توده مهم است، زیرا علاوه بر بازده تولید سوخت مایع بر ترکیب شیمیایی آن نیز تأثیر می‌گذارد. رایج‌ترین حلال مورد استفاده آب است. علاوه بر حلال، از کاتالیست‌های همگن و ناهمگن نیز برای افزایش بازده فرایند استفاده می‌کنند.

گازی‌سازی (Gasification)

گازی‌سازی زیست‌توده یکی دیگر از فرایندهای ترموشیمیایی است که در آن زیست‌توده به یک محصول گازی تبدیل می‌شود که عمدتاً شامل کربن‌مونوکسید، هیدروژن، کربن‌دی‌اکسید و متان است. فرایند گازی‌سازی در دمای 700 الی 1200 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود.

 گازی‌سازی شامل فناوری‌های مختلف مانند گازی‌ساز بستر ثابت، بستر متحرک و جریان نفوذی، می‌شود. فناوری‌ها و عوامل مختلفی که برای گازی‌سازی استفاده می‌شود، باعث تولید محصول با ترکیب شیمیایی متفاوت و برای کاربردهای مختلف می‌شود.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز آینده

با توجه به نگرانی‌های زیست‌محیطی و تمام شدن منابع سوخت‌های فسیلی، یافتن منابع جایگزین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. زیست‌توده منبع تجدیدپذیر و پاک برای سوخت‌مایع و مواد شیمیایی در آینده محسوب می‌شود. با این حال، با توجه به ساختار فیزیکی زیست‌توده و ترکیب شیمیایی، برخی از چالش‌های تجاری در زمینه فناوری تبدیل زیست‌توده به انرژی، سوخت‌های زیستی مایع و مواد شیمیایی وجود دارد. چالش‌های کلیدی در این زمینه شامل بازخورد اقتصادی و بازده تبدیل پایین و هم‌چنین عدم اطمینان در مورد اثرات زیست‌محیطی می‌باشد. اخیراً تحقیقات گسترده‌ای در زمینه فناوری تبدیل ترموشیمیایی زیست‌توده‌ها با هدف بهبود کیفیت و بازده محصول انجام شده است.

در آینده انتظار می‌رود که فناوری‌های تبدیل متناسب با منابع موجود و کاربردهای مورد نظر طراحی شوند. برای پیرولیز و مایع‌سازی زیست‌توده، کیفیت محصولات مایع را می‌توان از طریق پیش‌تیمار زیست‌توده و یا استفاده از کاتالیست و حلال بهبود بخشید. هم‌چنین جداسازی محصول مایع قبل از بهبود و ارتقای کیفیت یک مسئله مهم برای توسعه بیشتر است. انتظار می‌رود که هزینه‌های تولید با بهره‌گیری ، یکپارچه‌سازی فرآیند و بهینه‌سازی آن کاهش یابد.

این مطلب در تاریخ 13 نوامبر 2018 در مجله Biotechnology Advances منتشر شده است.

☑ نویسنده: Shusheng Pang

منبع

برچسب‌ها
نمایش بیشتر

جواد طغیانی

دانشجوی ارشد مهندسی شیمی-محیط زیست دانشگاه صنعتی امیرکبیر. علاقه‌مند به فعالیت در زمینه‌های مختلف زیست‌فناوری صنعتی و محیط زیست هستم. در حال حاضر به عنوان نویسنده بخش صنعتی و مسئول بخش مصاحبه مجله زیست‌فن، فعالیت می‌کنم.

نوشته‌های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

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

+ چهـل سـه = پنـجاه سـه

دکمه بازگشت به بالا
بستن