นโยบายการจัดการความรู้ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ 1.ให้ใช้เครื่องมือการจัดการความรู้ผลักดัน คุณภาพคน และกระบวนทำงาน 2.ส่งเสริมการแลกเปลี่ยนประสบการณ์การทำงาน จากหน้างาน 3.ส่งเสริมให้มีเวทีเรียนรู้ร่วมกัน

คนธรรมดา
Ico64
เครือข่าย
สมาชิก · ติดตาม: 5 · ผู้ติดตาม: 22

อ่าน: 2855
ความเห็น: 0

PSU ไบโอดีเซล 43: อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์เอกพันธุ์

 

กระบวนการให้ความร้อนแบบถ่ายโอนความร้อนปกติ 

                การให้ความร้อนเชิงอุตสาหกรรมขนาดใหญ่มักใช้ไอน้ำเป็นตัวกลางถ่ายโอนความร้อน เนื่องจากมีราคาการดำเนินการถูก ใช้งานได้ง่าย ต้นทุนเชื้อเพลิงมีความหลากหลาย ตั้งแต่เชื้อเพลิงของแข็ง ของเหลว และแก๊สธรรมชาติ ปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนมาจากความร้อนแฝงที่ไอน้ำควบแน่นเป็นของเหลว ดังนั้นปริมาณความร้อนที่สามารถถ่ายโอนต่อมวล (กิโลกรัม) ของตัวกลางจึงสูง การถ่ายโอนความร้อนที่อุณหภูมิสูง ใช้การเพิ่มความดันไอน้ำให้เป็นไอน้ำความดันสูงได้ แต่ในอุตสาหกรรมขนาดเล็กอาจใช้ตัวกลางที่เป็นน้ำมันร้อน (heat transfer oil หรือ heating oil หรือ hot oil) เพราะมีความปลอดภัยในการดำเนินการ และง่ายต่อการดำเนินการ โดยมีความดันที่ต่ำกว่า แต่สามารถให้ความร้อนไปยังอุณหภูมิที่สูงได้ และการให้ความร้อนในระดับห้องปฏิบัติการอาจให้ความร้อนโดยใช้ไฟฟ้า ซึ่งง่ายต่อการใช้งาน แต่มีต้นทุนราคาพลังงานงานที่สูงกว่าอย่างน้อยประมาณ 3 เท่า

               การดำเนินการแบบแบทช์หรือกะ อาจใช้ในการผลิตขนาดใหญ่ได้ แม้จะเป็นการผลิตครั้งละหลายหมื่นลิตร ข้อด้อยของการผลิตแบบแบทช์คือ คุณภาพผลผลิตในแต่ละแบทช์อาจแตกต่างกันได้ ซึ่งจะต้องมีการควบคุมคุณภาพอย่างใกล้ชิด ในขณะที่การผลิตด้วยกระบวนการแบบต่อเนื่องนั้นความแปรปรวนของคุณภาพผลผลิตนั้นจะน้อยกว่าเมื่อควบคุมปัจจัยการผลิตให้อยู่ในช่วงที่กำหนดไว้ได้ โดยในมุมมองของจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีนั้น จะพบว่ามีความแตกต่างกันอย่างมากระหว่างกระบวนการแบบแบทช์และแบบต่อเนื่อง แต่การผลิตแบบต่อเนื่องนั้น ก็ยังมีความแตกต่างของชนิดอุปกรณ์อีกด้วย

                แม้ว่าจะมีการวิจัยในการใช้ถังปฏิกรณ์แบบต่อเนื่องในรูปแบบต่าง ๆ กันหลายชนิด แต่อุตสาหกรรมไบโอดีเซลในปัจจุบัน ก็ยังนิยมใช้ถังปฏิกรณ์การกวนแบบต่อเนื่อง (continuous stirred-tank reactor: CSTR) อยู่ เนื่องจากความง่ายในการออกแบบ การสร้างเครื่องมือ การดำเนินการ ความสิ้นเปลืองพลังงานต่ำ และการบำรุงรักษาที่ง่าย และที่สำคัญก็คือ ถังปฏิกรณ์ชนิดนี้สามารถผลิตไบโอดีเซลที่มีคุณภาพตามที่ต้องการได้

 

อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์เอกพันธุ์

ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันคือ โซเดียมไฮดรอกไซด์หรือโซดาไฟ (NaOH) โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) โซเดียมเมทิลเลตหรือโซเดียมเมทอกไซด์ (NaOCH3) และ โพแทสเซียมเมทิลเลตหรือโพแทสเซียมเมทอกไซด์ (KOCH3) โดยโซเดียมไฮดรอกไซด์มีราคาถูกที่สุด หาได้ง่าย โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์จะมีราคาสูงกว่า แต่ที่นิยมใช้เพราะสบู่ของโพแทสเซียมเป็นของเหลว ดังนั้นเมื่อปนเปื้อนในกลีเซอรอลก็จะทำให้กลีเซอรอลยังคงสภาพเป็นของเหลวอยู่ ต่างจากสบู่จากโซเดียมซึ่งเป็นของแข็ง เมื่อปนเปื้อนในกลีเซอรอลดิบก็ทำให้กลีเซอรอลดิบเป็นของแข็งตามไปด้วย ซึ่งอาจทำให้ท่ออุดตันได้เมื่อดำเนินการแบบแบทช์

          ความแตกต่างสำคัญของตัวเร่งปฏิกิริยาไฮดรอกไซด์และเมทอกไซด์ คือ เมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮดรอกไซด์ละลายในเมทานอลเราจะได้น้ำเป็นผลพลอยได้มาทุกครั้งตามสมการ

           OH- + CH3OH CH3O- + H2O

          ซึ่งน้ำจะไฮโดรไลซิสไตรกลีเซอไรด์และเอสเตอร์ที่เกิดขึ้นให้กลับไปเกิดเป็นกรดไขมันอิสระและสบู่ในที่สุด โดยในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเมทอกไซด์จะมีข้อแนะนำว่าสารป้อนควรปราศจากน้ำ ซึ่งในความเป็นจริงแล้วการใช้เมทอกไซด์ก็จะเกิดสบู่เช่นกัน แต่จะเกิดขึ้นช้ากว่า เพราะเมทอกไซด์เป็น weak Lewis bases (Singh และคณะ, 2006)

          Singh และคณะ 2006 แสดงผลการทดลองให้เห็นว่า เมื่อเปรียบเทียบตัวเร่งปฏิกิริยาเบส 4 ชนิดคือ NaOH, KOH, NaOCH3 และ KOCH3 ในจำนวนโมลของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เท่ากัน ตัวเร่งปฏิกิริยาโพแทสเซียมจะให้ร้อยละการเปลี่ยนที่สูงกว่าคัวเร่งปฏิกิริยาโซเดียม และตัวเร่งปฏิกิริยาเมทอกไซด์ให้ร้อยละการเปลี่ยนที่สูงกว่าไฮดรอกไซด์ตามลำดับ

          KOCH3 > NaOCH3 > KOH > NaOH

และ KOH ก่อเกิดเป็นสบู่ได้ดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหลือทั้ง 3 การเกิดเป็นสบู่เพิ่มขึ้นแบบเอ็กโพเนนเชียล ตามความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้น การเพิ่มอุณหภูมิของการทำปฏิกิริยาเพิ่มทั้งอัตราการเกิดทรานส์เอสเตอริฟิเคชันและสะพอนิฟิเคชัน การเพิ่มสัดส่วนเชิงโมลของเมทานอลต่อน้ำมันช่วยเพิ่มสมดุลให้เกิดเป็นเอสเตอร์สูงขึ้น

          Vicente และคณะ 2004 ทำการทดลองกับน้ำมันเมล็ดดอกทานตะวันรีไฟน์ ซึ่งมีกรดไขมันอิสระ 0.45 mg KOH/g  โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา NaOH, KOH, NaOCH3 และ KOCH3 ทำปฏิกิริยาที่ 65 °C ใช้สัดส่วนเชิงโมลเมทานอลต่อน้ำมันเท่ากับ 6: 1 โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา 1% โดยน้ำหนักน้ำมัน ซึ่งทำให้ไม่สามารถเปรียบเทียบผลการทดลองอย่างชัดเจนได้ เพราะปริมาณโมลของตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เท่ากัน ดังตารางต่อไปนี้

Molecular weights of four alkaline catalysts used in transesterification.

Catalyst Formulation

Formula

Molecular Weight

mol/mol at 1% wt.*

Sodium hydroxide

NaOH

40.0

0.212

Potassium hydroxide

KOH

56.1

0.151

Sodium methoxide

NaOCH3

54.0

0.156

Potassium methoxide

KOCH3

70.1

0.121

*ใช้น้ำหนักโมเลกุลน้ำมันปาล์ม 847

 

          ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเมทอกไซด์ให้ร้อยละผลได้สูงกว่าในระดับ> 98% และเมื่อใช้โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และโซเดียมไฮดรอกไซด์จะได้ร้อยละผลได้เท่ากับ 91.67 และ 86.71 % ตามลำดับ โดยที่เปอร์เซ็นต์ความบริสุทธิ์ (purity) ของเอสเตอร์มีค่าสูงกว่า 99% ในทุกตัวเร่งปฏิกิริยา

          Vicente และคณะ 2004 สรุปว่าผลได้ที่ต่ำกว่านั้นเนื่องมาจากการเกิดสบู่ซึ่งแยกไปอยู่ในชั้นของกลีเซอรอลโดยได้พาเอสเตอร์ไปพร้อมกับสบู่ที่ลงไปในเฟสกลีเซอรอลด้วย

          แต่จากประสบการณ์ของผู้เขียน ในการไทเทรตวัดค่าสบู่ที่อยู่ในเฟสเอสเตอร์และกลีเซอรอล จะพบว่าสบู่จะกระจายตัวอยู่ในเฟสทั้งสอง โดยจะอยู่ในเฟสกลีเซอรอลในความเข้มข้นที่สูงกว่ามาก แต่เนื่องจากปริมาณเฟสเอสเตอร์จะสูงกว่าเฟสกลีเซอรอลมากกว่า 4 เท่า ดังนั้นปริมาณสบู่จะกระจายตัวอยู่ในเฟสเอสเตอร์และกลีเซอรอลในสัดส่วนประมาณ 40: 60

          การวิจัยเพื่อเปรียบเทียบการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์เอกพันธุ์มีไม่มากนัก อาจเป็นเพราะได้นำไปใช้ในเชิงอุตสาหกรรมแล้ว และการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้ง 4 ชนิด ดูเหมือนว่าจะไม่มีความแตกต่างกันมาก เมื่อสารป้อนมีคุณภาพดี คือ มีกรดไขมันอิสระต่ำ ปริมาณน้ำต่ำ มียางเหนียว และสารปนเปื้อนต่ำ แต่การผลิตเชิงอุตสาหกรรมยังพบกับปัญหาการเกิดตะกอนขาวซึ่งมาจากสเตอรอลกลูโคไซด์ ซึ่งอาจบรรเทาได้บ้างด้วยการปรับสภาพการละลายโดยเหลือเมทานอลไว้บ้างในขั้นตอนการแยกคืนแอลกอฮอล์ โดยในขณะนี้สถานวิจัยและพัฒนาฯ กำลังดำเนินการวิจัย ทั้งการหาประสิทธิภาพการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์เอกพันธุ์ทั้ง 4 ชนิด และปัญหาสเตอรอลกลูโคไซด์ เพื่อให้ได้องค์ความรู้ในการนำไปประยุกต์ใช้งานต่อไป

          การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์เอกพันธุ์ในการทำเอทาโนไลซิส จะเห็นความแตกต่างอย่างชัดเจนในการเกิดปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชัน รวมพร นิคม (2011) ศึกษาการผลิตเอทิลเอสเตอร์จากน้ำมันปาล์มรีไฟน์พบว่าเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮดรอกไซด์ จะไม่เกิดการแยกเฟสระหว่างชั้นกลีเซอรอลและเอสเตอร์ แม้จะนำไปเหวี่ยงแยกด้วยเครื่องเหวี่ยงแยก (centrifuge) แล้วก็ตาม แต่จะเกิดการแยกชั้นของกลีเซอรอลเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเอทอกไซด์ เมื่อตรวจสอบด้วยการถ่ายภาพจากอุปกรณ์ confocal laser scanning microscopy ได้พบว่าเกิดอิมัลชันจากกลีเซอรอลและสบู่ในปริมาณที่สูงมากและขัดขวางการแยกชั้นของเฟสทั้งสอง การแยกชั้นจะเกิดขึ้นเมื่อสัดส่วนกลีเซอรอลต่อสบู่ต้องสูงเพียงพอในค่าหนึ่ง โดยในการทำปฏิกิริยาแบบแบทช์แม้จะมีการแยกเฟสของกลีเซอรอล แต่ความบริสุทธิ์ของเอสเตอร์จะไม่เพียงพอที่จะผ่านเกณฑ์มาตรฐานที่สมมติขึ้นว่าให้เป็นไปตามเกณฑ์ของเมทิลเอสเตอร์คือ 96.5% (ยังไม่มีเกณฑ์มาตรฐานของเอทิลเอสเตอร์) แต่การทำปฏิกิริยาเอทาโนไลซิสด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโพแทสเซียมเมทอกไซด์ ด้วยกระบวนการต่อเนื่องโดยถังปฏิกรณ์แยกกลีเซอรอลออกอย่างต่อเนื่อง (continuous deglycerolization: CD process) กลับให้ความบริสุทธิ์เอทิลเอสเตอร์สูงเกินค่ามาตรฐาน โดยมีร้อยละผลได้ (yield) มากกว่า 93%

          ต่อมา ชาคริต และคณะ (2011) ได้ทดลองใช้โซเดียมเมทอกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในการทำเอทาโนไลซิสด้วยอุปกรณ์ CD พบว่าเอทิลเอสเตอร์ที่ผลิตได้มีคุณภาพผ่านเกณฑ์มาตรฐานเช่นกัน โดยต้องให้ความร้อนต่อท่อทางออกของกลีเซอรอลมิให้เกิดการแข็งตัว

 

ผม..เอง


หมวดหมู่บันทึก: การเรียนการสอน
สัญญาอนุญาต: ซีซี: แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-อนุญาตแบบเดียวกัน Cc-by-nc-sa
สร้าง: 17 ธันวาคม 2554 20:23 แก้ไข: 17 ธันวาคม 2554 20:23 [ แจ้งไม่เหมาะสม ]
ดอกไม้
สมาชิกที่ให้กำลังใจ: Ico24 ปราณี .
สมาชิกที่ให้กำลังใจ
 
Facebook
Twitter
Google

บันทึกอื่นๆ

ความเห็น

ไม่มีความเห็น

ร่วมแสดงความเห็นในหน้านี้

ชื่อ:
อีเมล:
IP แอดเดรส: 18.204.48.40
ข้อความ:  
เรียกเครื่องมือจัดการข้อความ
   
ยกเลิก หรือ