شیمی
راکتور هیدروترمال
پزشکی
فیزیک
کامپیوتر
مهر
بیودیزل : معرفی ، کاربرد و چشم انداز
بیودیزل | نیاز روز افزون جهان به منابع جدید انرژی و از طرفی آلودگی ناشی از سوختهای فسیلی و پایان پذیر بودن آنها از جمله عواملی است که بشر را به تلاش برای دستیابی به سوختهای جانشین برای این منابع واداشته است. یکی از این سوختهای جانشین، بیودیزل میباشد. بیودیزل به طیف وسیعی از سوختها گفته میشود که از انواع روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی تهیه میشوند. ایده استفاده از روغن گیاهی به عنوان سوخت برای اولین بار در نمایشگاه سال ۱۹۰۰ پاریس توسط توسط شرکت فرانسوی اتو با معرفی موتور دیزل با سوختی از روغن بادام زمینی مطرح شد ]۱[. واژه بیودیزل اولین بار در سال ۱۹۹۲ به وسیله موسسه آمریکایی National Soy Diesel Development Board که در حال حاضرNational Biodiesel Board خوانده میشود نامگذاری شده است ]۲[.
امروزه روغنهای گیاهی علاوه بر مصارف غذایی، از دیدگاه تولید انرژی و تهیه مواد خام صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار هستند. اما بیودیزل روغن خام سبزیجات نیست بلکه در نتیجه واکنشهای شیمیایی بین روغنهای گیاهی و الکل در حضور کاتالیزور، به وسیلهی حذف گلیسیرین از روغن تولید میشود. در عین حال گلیسیرین نیز که در داروسازی و تولید لوازم آرایشی مورد استفاده قرار میگیرد به عنوان یک محصول فرعی این فرآیند تولید میشود. این واکنش باعث بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی روغن میگردد. بنابراین بیودیزل ترکیبی از استرهای مونو آلکیل اسید چرب با زنجیره بلند است که درست مانند گازوییل نفت در موتورهای احتراقی کار میکند و برای این کار هیچ گونه تغییری در ساختار موتور لازم نیست و ظرفیت و دامنه کار گازوییل را حفظ میکند. تولید بیودیزل با استفاده از واکنش ترانساستریفیکاسیون قلیایی امروزه در مقیاس صنعتی انجام میگیرد. کشورهایی نظیر ایالات متحده، آلمان، استرالیا، ایتالیا و اتریش از جمله کشورهایی هستند که سوختهای زیستی چون بیودیزل و بیو اتانول را در مقیاس بزرگ تولید و مصرف میکنند[۳] .
بیودیزل چه نوع سوختی است؟
بیودیزل سوختی تجدید پذیر و تجزیه پذیر است که از روغن گیاهی و یا چربی حیوانی به دست میآید. سوخت را میتوان به راحتی با گازوییل مخلوط و در خودروهای گازوییل سوز استفاده کرد. ذرات معلق و هیدروکربنهای نسوخته که از اگزوز خودروهای دیزلی خارج میشوند، سمی و سرطان زا هستند و تهدیدی برای سلامتی انسانها به شمار میآیند. این در شرایطی است که نتایج مثبت استفاده از بیودیزل در کاهش سمیت و آلودگی هوا از سوی ارگانها و سازمانهای معتبر جهانی تایید شده است. برای مثال، گیاه سویا، ۲CO هوا را جذب میکند و پس از استخراج روغن از دانههای سویا، به بیودیزل تبدیل میشود. سوختن این ماده ۲CO تولید میکند و ۲CO تولید شده به وسیله گیاهی که سوخت از آن تهیه شده است، باز جذب میشود. این چرخه هیچ دی اکسید کربنی وارد طبیعت نمیکند. در شماتیک (۱-۱) چرخه سوخت بیودیزل قابل مشاهده است.
شماتیک ۱-۱: چرخه سوخت بیودیزل
آیا در ایران نیز می توانیم بیودیزل را تولید کنیم؟
فناوری تولید این سوخت در کشور قابل دسترس است و تنها به توجه مسئولان و انجام سرمایه گذاریهای لازم نیاز دارد. در پژوهشکده صنعت نفت نیز در این زمینه اقداماتی صورت گرفته است. علاوه بر این، تولید این سوخت میتواند بخش کشاورزی را نیز به تحرک وا دارد، زیرا این سوخت از روغنهای گیاهی به دست میآید، پس با تولید آن نیاز بیشتری به کاشت دانههای گیاهی است که به اشتغال زایی در بخش کشاورزی کمک میکند. نکته مهم دیگر، امکان استفاده مجدد از روغنهای گیاهی سوخته برای تولید بیودیزل است. از روغنهای سوخته که در بسیاری جاها از جمله اغذیه فروشیها به مقدار زیاد استفاده و در پایان روز دور ریخته میشوند، میتوان در تولید بیودیزل استفاده کرد. یعنی همان کاری که اکنون در مورد روغنهای صنعتی انجام میشود. در حال حاضر روغنهای مورد استفاده قرار گرفته در خودروها را پس از خریداری با کمک برخی مواد افزودنی به روغنی قابل استفاده تبدیل میکنند. به این ترتیب نه تنها این روغنها بازیافت میشوند، بلکه از دور ریخته شدن آنها که آلودگیهای زیست محیطی را در پی دارد، جلوگیری میشود، مواد اولیه این سوخت نیز کاملا در دسترس و قابل تهیه است. ضمن این که کشت دانههای روغنی و کارهای جنبی که در کنار آن ایجاد میشود، مانند بسته بندی و عرضه و تبدیل آنها به سوخت اشتغال زایی را نیز به همراه دارد[۳] .
مخلوط کردن بیودیزل با گازوییل چه خاصیتی دارد؟
نتایج تحقیقات نشان داده شده است که اگر ۲۰ درصد باک خودرو را با بیودیزل پر کنیم، هیچ نیازی به تغییر سیستم احتراق یا تغییر قطعات خودروها نیست و میتوان این سوخت را بدون هیچ اشکالی در موتورهای امروزی مصرف کرد. طبیعی است که پر کردن ۲۰ درصد از یک خودرو با این ماده به همین مقدار از آلایندههایی مانند دی اکسیدکربن، هیدروکربنها و منواکسید کربن میکاهد، اما در مورد گوگرد این مقدار حتی قابل توجهتر است، چنانکه گوگردی که از این سوخت حاصل میشود، ۱۵ درصد و تقریبا غیر قابل اندازه گیری است، بنابراین برای کاهش گوگرد در سوخت دیزیل میتوان از مخلوط کردن بیودیزل و گازوییل استفاده کرد. علاوه بر اینها، استفاده از مخلوط بیودیزل و گازوییل سبب حذف دود متراکم و سیاه حاصل از سوخت خودروهای دیزلی خواهد شد. حتی بویی که از سوختن آن ایجاد میشود، شبیه بوی سیب زمینی سرخ کرده و ذرت بو داده است، یعنی به میزان چشمگیری بوی بد گازوییل را کاهش میدهد[۴] .
چشم انداز بیودیزل
اکثر نیازمندیهای انرژی جهان از طریق منابع پتروشیمی یعنی زغال سنگ و گازهای طبیعی تامین میشود (هیدرو الکتریسیته و انرژی هستهای استثناء هستند) همه این منابع محدود بوده و با سرعت استفاده کنونی در مدت کوتاهی به پایان خواهند رسید. سوخت گازوییل نقش اساسی در اقتصاد صنعتی کشورهای در حال توسعه داشته و در حمل و نقل، کالاهای کشاورزی و صنعتی و … مورد استفاده قرار میگیرد. این امر باعث توجهات و علاقه اخیر به منابع جایگزین برای سوختهای نفتی شده است. سوخت جایگزین باید به آسانی قابل دسترس، دوستدار محیط زیست و از لحاظ فنی و اقتصادی رقابت پذیر باشد[۳] .
یکی از این سوختها تری گلسیریدها و مشتقات آنها میباشد. روغن سبزیجات از منابع گوناگون به دست آمده و بنابراین بسیار قابل دسترس میباشند و مقدار سولفور پایین، نزدیک به صفر دارند در نتیجه نسبت به گازوییل آسیب محیطی کمتر، و اثر گلخانهای کمتر خواهند داشت. از لحاظ شیمیایی روغنها از مولکولهای تری گلیسرید سه اسید چرب زنجیر بلند که متصل به یک مولکول گلیسرول[۱] هستند، تشکیل شدهاند. این اسیدهایی چرب از لحاظ طول زنجیر کربن، جهت و موقعیت پیوندهای دوگانه در این زنجیرها متفاوت هستند. بنابراین بیودیزل شامل الکیل استرهای[۲] پایینتر، اسیدهای چرب زنجیر بلند است که به طور مصنوعی از طریق تبادل استری با الکلهای پایینتر یا استریفیکاسیون[۳] اسیدهای چرب تولید میشود[۵] .
واکنش تبادل استری
چندین روش برای تولید بیودیزل وجود دارد، در میان این روشها تبادل استری با استفاده از کاتالیزور قلیایی تبدیل بالای تری گلیسریدها به متیل استر برابر در زمان کوتاه واکنش را در پی دارد. فرایند تبادل استری تحت تاثیر شرایط واکنش، نسبت مولار الکل به روغن، نوع الکل، نوع و مقدار کاتالیزورها، دما و زمان واکنش، خلوص واکنش دهندههای اسیدهای چرب آزاد، مقدار آب روغنها یا چربیها قرار دارد.
عوامل متغیر اثر گذار بر واکنش تبادل استری
میزان رطوبت و اسید چرب آزاد پارامترهای اصلی در تعیین کارایی فرایند تبادل استری روغن سبزیجات میباشند. برای انجام واکنش کاتالیزوری قلیایی و تکمیل آن مقداری اسید چرب آزاد (FFA) [۴] کمتر از ۳% لازم است. هر چه خاصیت اسیدی روغن بالاتر باشد بازدهی تبدیل کمتر خواهد بود. مقدار ناکافی (کم) کاتالیزور و مقدار بیش از حد آن به شکل گیری صابون منجر میشود [۶].
تری گلیسریدها باید مقدار اسید پایینتر داشته باشند و همه مواد باید به میزان زیادی بی آب[۵] باشند. اضافه کردن بیشتر کاتالیزور هیدروکسید سدیم خاصیت اسیدی بالا را خنثی میکند. اما صابون حاصل باعث افزایش ویسکوزیته یا تشکیل ژل شده که هم در واکنش و هم تولید گلیسرول اختلال ایجاد میکند. زمانی که شرایط واکنش نیازمندیهای بالا را برآورده نکند بازده استر به طور چشمگیری کاهش مییابند. منوکسید و هیدروکسید سدیم و پتاسیم باید در حالت بی آب حفظ شوند. تماس طولانی با هوا کارایی این کاتالیزورها را به علت برهم کنش با رطوبت و ۲CO کاهش میدهد[۶] .
اسیدهای چرب آزاد (عموما ۱% تا ۵%)، فسفو لیپیدها، فسفاتیدها، کاروتنها، توکوفرولها، ترکیبات گوگرددار و مقادیر بسیار کمی از آب هستند. اسیدهای چربی که عموما در روغنهای گیاهی وجود دارند از نوع استئاریک، پالمیتیک، اولئیک، لینولنیک هستند. به این علت نمیتوان از روغن گیاهی مستقیما به عنوان سوخت استفاده کرد. برای حذف این مشکل باید تغییر (اصلاح) شیمیایی کوچکی عمدتا تبادل استری، پیرولیز و امولسیونه کردن در روغن ایجاد کرد. در این میان تبادل استری فرایند مهمی در تولید سوخت تمیز و بی خطر برای محیط به شمار می رود. در جدول )۱-۱( اسیدهای چرب رایج موجود در برخی روغنهای گیاهی و ساختار آنها به طور خلاصه قابل مشاهده است[۷] .
بیودیزل یا منو آلکیل استر، اسیدهای چرب زنجیر بلند هستند که از مواد اولیه قابل تجدید مانند روغن سبزیجات یا چربی حیوانات حاصل شده و در موتورهای احتراق کمپرس استفاده میشوند. بیودیزل که به عنوان جایگزین احتمالی و مناسب سوخت گازوییلی رایج تلقی میشود معمولا از استرهای اتیل/ متیل اسید چرب تشکیل شده است که از تری گلیسریدها با استفاده از تبادل استری به ترتیب با متانول و اتانول حاصل میشود. بیودیزل با گازوییل سازگار بوده و به هر نسبتی میتوان آن دو را مخلوط کرد [۷].
جدول۱-۱: نام، ساختار و فرمول شیمیایی اسیدهای چرب موجود در روغنهای گیاهی[۷]
| فرمول شیمیایی | ساختار (تعداد پیوندهای دوگانه:تعداد اتمهای کربن) | نام شیمیایی اسید چرب | نام اسید چرب |
| C۱۲H۲۴O۲ | ۱۲:۰ | Dodecanoic | Lauric |
| C۱۴H۲۸O۲ | ۱۴:۰ | Tetradecanoic | Myristic |
| C۱۶H۲۸O۲ | ۱۶:۰ | Hexadecanoic | Palmitic |
| C۱۸H۳۶O۲ | ۱۸:۰ | Octadecanoic | Stearic |
| C۱۸H۳۴O۲ | ۱۸:۱ | Octadecenoic | Oleic |
| C۱۸H۳۲O۲ | ۱۸:۲ | Octadecadienoic | Linoleic |
| C۱۸H۳۰O۲ | ۱۸:۳ | Octadecatrienoic | Linolenic |
| C۲۰H۴۰O۲ | ۲۰:۰ | Eicosanoic | Arachidic |
| C۲۰H۴۴O۲ | ۲۲:۰ | Docosanoic | Behenic |
| C۲۲H۴۲O۲ | ۲۲:۱ | docosenoic | Erucle |
| C۲۴H۴۸O۲ | ۲۴:۱ | Tetracosanoic | Lignoceric |
اسیدهای چرب
فرمول کلی اسیدهای چرب CH۳ – (CH۲)n – COOH است که مقدار n از صفر تا ۳۰ الی ۴۰ متغیر است. اسیدهای چرب به دو دسته اسیدهای چرب اشباع و غیر اشباع تقسیمبندی میشوند. اسیدهای چرب غیر اشباع به اسیدهای چربی گفته میشود که بین اتمهای کربن آنها پیوند دوگانه (به جز پیوند دوگانه موجود در اسید کربوکسیلیک) وجود دارد، اما در اسیدهای چرب اشباع، پیوند بین کربنها همگی از نوع پیوند ساده هستند. هر دو این چربیها به ازای هر یک گرم، ۹ کالری انرژی تولید میکنند[۴] .
زنجیر اسید چرب در تعیین خصوصیات فیزیکی چربیهایی که بخشی از آن را تشکیل میدهند، نقش دارند. عموما پیوند دوگانه در اسیدهای چرب غیر اشباع در بین کربنهای شماره ۹ و ۱۰ قرار میگیرد. هر چه تعداد کربن زنجیر اسید چرب بیشتر شود، نقطه ذوب آن افزایش مییابد و با افزایش اتصال دوگانه، نقطه ذوب کاهش مییابد. در بین گروههای اسیدهای چرب اشباع، هر اندازه طول رشته کمتر میشود و یا هر چه اسیدهای چرب شاخهدارتر میشود، نقطه ذوب و سختی چربی کمتر میگردد[۸] .
اسیدهای چرب اشباع در درجه حرارت اتاق جامدند. اسیدهای چرب غیر اشباع با یک پیوند دوگانه[۶]، به طور معمول در درجه حرارت اتاق مایع هستند. روغن زیتون و کانولا دارای اسیدهای چرب غیر اشباع با پیوند دوگانه زیادی هستند. اسیدهای چرب غیر اشباع با چند پیوند دوگانه[۷]، به طور معمول در درجه حرارت اتاق مایع یا نرم هستند. روغن سویا و آفتابگردان دارای مقادیر زیادی اسیدهای چرب غیر اشباع با چند پیوند دوگانه هستند. تعداد کربنها در اسیدهای چرب به استثنای چند مورد همیشه زوج است. اسیدهای چرب غیر اشباع به سهولت اکسید میشوند. تند شدن چربیها نیز بر اثر اکسید شدن و ایجاد عوامل اسیدی در آنها است[۸]
موارد مصرف بیودیزل
- به عنوان یک سوخت مناسب حتی کارآمدتر از سوخت دیزلی و ۱۰۰% جایگزین
- ماده اولیه ی تولید هیدروژن در پیلهای سوختی
- پاک کننده لکههای روغن
- عامل محرک توربینهای تولید الکتریسیته دیزلی
- سوخت مناسب در گرمایش منازل
- در ایجاد روشنایی و پخت و پز
- به عنوان رقیق کننده گریسها و پاک کنندههای صنعتی
- افزودنی به سوخت دیزل جهت روانی بیشتر
- عامل پاک کنندهی قیر
- پاک کننده سطوح چرب
- پاک کننده جوهر، رنگ و چسب
- پاک کننده واکس و ترکیبات ضد غبار
- ممانعت از خوردگی در سطوح فلزی
- روان ساز قطعات فلزی در تماس
ویژگیهای بیودیزل
ویژگی های فیزیکی بیودیزل
ویژگیهای فیزیکی بیودیزل بسیار شبیه گازوییل معمولی است. با این حال، ویژگیهای خروجیهای اگزوز بیودیزل بهتر از گازوییل معمولی است.
-
چگالی ۸۸/۰ گرم بر سانتیمتر مکعب
-
ویسکوزیته در ۲۰ ، ۵/۷ سانتی استوک
-
عدد ستان (اندیس ستان) ۴۹
-
نقطه انجماد ۱۳-
-
ارزش حرارتی خالص ۳۳۳۰۰ کیلو ژول بر لیتر
ویژگیهای فنی بیودیزل
-
از لحاظ خواص سوختی شبیه دیزل با پایه نفتی است.
-
بالاترین مقدار انرژی را نسبت به هر سوخت جایگزین در واحد برابر دارد.
-
عدد ستان و نقطه ابری شدن و خاصیت روانی بسیار بالاتری نسبت به سوختهای فسیلی دارد.
ویژگی های زیست محیطی بیودیزل
به طور کلی مهمترین ویژگی بیودیزل تجدید پذیر بودن آن است ولی ویژگی قابل ذکر دیگر این سوخت، کم آلاینده بودن آن است به طوری که با افزایش مصرف سوختهای دیزلی روز به روز بر حجم CO۲ موجود در جهان افزوده شد و پدیده گلخانهای را به بار می آورد ولی مقدار CO۲ تولید شده و انتشار یافته توسط موتورهای بیودیزل سوز تقریبا ۳ کیلوگوم بر لیتر سوخت و معادل CO۲ جذب شده توسط گیاهان روغن زا در طی فرایندهای فتوسنتز و رشد میباشد از این رو ثابت نگه داشتن غلظت CO۲ موجود زمین باعث رفع نگرانی از پدیده گلخانهای میشود. همچنین مقدار گوگرد و فلزات سنگین منتشر شده توسط سوزاندن بیودیزل ناچیز اعلام شده است. در شکل (۱-۱) افزایش ۳۰ درصدی میزان CO۲ در طی سالهای گذشته و همچنین در شکل (۲-۲) میزان انتشار گازهای گلخانهای قابل مشاهده است[۹] .
شکل ۱-۱: افزایش میزان CO۲ در جو[۹]
شکل ۱-۲: انتشار نسبی گازهای گلخانهای[۹]
[۱] – glycrol
[۲] – alkyl esters
[۳] – esterification
[۴] – Free Fatty Acid
[۵] – anhydrous
[۶]– MUFAs: Monounsaturated Fatty Acids
[۷]– PUFAs: Polyunsaturated Fatty Acids
منابع :
[۱] Bajaj, A., Lohan, P., Jha, P. N., & Mehrotra, R. (2010). Biodiesel production through lipase catalyzed transesterification: an overview. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 62(1), 9-14.
[۲] Vyas, A. P., Verma, J. L., & Subrahmanyam, N. (2010). A review on FAME production processes. Fuel, 89(1), 1-9.
[۳] www. Iran. Eyn. Ir
[۴] www. Biofuef.org
[۵] www. NP.Crory
[۶] Vicente, G., Matinez, M., and Aracil, J. (2004). Integrated Biodiesel Production: a Comparison of Different Homogeneous Catalysts Systems. Journal of Bioresource Technology, 92: 297-305.
[۷] www.SCiras.com
[۸] www. Science direct. Com
[۹] Data from “A Fresh Look at CNG: A Comparison of Alternative Fuels”, Alternative Fuel Vehicle Program, 8/13/2005.
جهت خرید متن کامل به فروشگاه مراجعه کنید و یا با مدیر سایت تماس حاصل فرمائید
