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

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

อ่าน: 3780
ความเห็น: 0

PSU ไบโอดีเซล 28: การเร่งปฏิกิริยาด้วยด่าง (alkaline catalysis)

1 การเร่งปฏิกิริยาด้วยด่าง (alkaline catalysis)

          การเร่งปฏิกิริยาด้วยด่างเป็นประเภทของปฏิกิริยาโดยทั่วไปที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการผลิตไบโอดีเซล ข้อดีของปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันที่เร่งปฏิกิริยาโดยใช้ด่างที่เหนือกว่าการใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาก็คือ ให้ร้อยละการเปลี่ยนที่สูงภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง ใช้เวลาทำปฏิกิริยาที่สั้นกว่า อาจประมาณได้ว่าภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เท่ากัน ปฏิกิริยาเมทาโนไลซิส (methanolysis) ที่มีด่างเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นได้เร็วกว่ากรดในปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่สมมูลกันได้ถึงประมาณ 4,000 เท่า นอกจากนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นด่างมีสภาพกัดกร่อน (corrosiveness) ต่อเครื่องมืออุตสาหกรรมน้อยกว่า ดังนั้นจึงสามารถใช้ถังปฏิกรณ์ที่เป็นเหล็กคาร์บอนซึ่งมีราคาถูกกว่า สุดท้าย ปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชัน ที่มีด่างเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะใช้ปริมาณแอลกอฮอล์ที่น้อยกว่าปฏิกิริยาแอลกอฮอไลซิส (alcoholysis) ที่มีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเช่นกัน ดังนั้น จึงสามารถลดขนาดของถังปฏิกรณ์ลงได้

          Zhang และคณะ (2003) ประเมินไว้ว่าสำหรับโรงงานที่ผลิตไบโอดีเซลกำลังการผลิต 8,000 ตันต่อปี โดยใช้วัตถุดิบเป็นน้ำมันพืชใหม่สด (fresh vegetable oil) การลงทุนโดยใช้ด่างเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะมีมูลค่าการลงทุนถาวรเบื้องต้นเพียงครึ่งหนึ่งของการลงทุนถาวรในการผลิตด้วยการเร่งปฏิกิริยาที่ใช้กรด แต่หากใช้วัตถุดิบที่เป็นน้ำมันทอดใช้แล้ว (waste cooking oil) ซึ่งมีราคาถูกกว่าน้ำมันพืชใหม่สด 3 เท่า ต้นทุนการผลิตโดยใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกกว่า แต่อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์ความไวเชิงเศรษฐศาสตร์นี้ แปรตามราคาวัตถุดิบ ราคาไบโอดีเซล และขนาดของกำลังการผลิตอย่างมาก

          ข้อด้อยที่สำคัญของการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นด่างคือ มีความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาด่างต่อกรดไขมันอิสระที่มีอยู่ในสารป้อนสูง นั่นหมายความว่า ปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันที่มีด่างเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะเหมาะสมกับน้ำมันพืชที่มีกรดไขมันอิสระอยู่ต่ำ (น้ำมันที่มีคุณภาพสูง) เท่านั้น ซึ่งราคาน้ำมันก็จะสูงตามคุณภาพไปด้วย การใช้สารป้อนที่มีราคาถูก เช่น น้ำมันทอดใช้แล้ว ไขมันในน้ำเสียซึ่งมีปริมาณกรดไขมันอิสระสูง หากจะใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยด่าง  จำเป็นที่จะต้องผ่านขั้นตอนการปรับสภาพการลดกรดไขมันอิสระ หรือ ใช้กระบวนการเอสเตอริฟิเคชันมาก่อน ทำให้มีค่าใช้จ่ายสูงขึ้น

 

            การเร่งปฏิกิริยาด้วยด่างแบบเอกพันธุ์ (Homogeneous alkaline catalysis)

            ในปัจจุบัน โรงงานผลิตไบโอดีเซลเชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดมีการผลิตโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นด่างแบบเอกพันธุ์ ชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยา (species) ที่สำคัญคือ แอลคอกไซด์แอนไอออน (alkoxide anion: RO-) จะก่อเกิดจากวิธีการใดวิธีการหนึ่งของกระบวนการข้างล่างนี้

 

             RONa               ↔         RO- + Na+                             (1)

             Na + ROH         →    RO- +  Na+ + ½ H2 (g)               (2)

             NaOH + ROH    ↔  RO- +  Na+ +  H2O                        (3)

 

          นานมาแล้วที่การผลิตชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันจะใช้แอลคอกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งได้มาจากปฏิกิริยาแอลคาไลแอลกอฮอเลท (alkali alcoholate) ปฏิกิริยาที่ (1)   หรือโลหะแอลคาไลบริสุทธิ์ (2) โดยมีการโต้แย้งกันว่าการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮดรอกไซด์ (3) อาจจะเร่งปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชันซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ไม่สามารถผันกลับได้ จากทั้งสารเข้าทำปฏิกิริยาไตรกลีเซอไรด์และผลผลิตเอสเตอร์ที่ได้ ดังสมการการผลิตสบู่โดยปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเอสเตอร์

 

R1COOR2    +       NaOH        →            R1COONa   +      R2OH

เอสเตอร์     แอลคาไลไฮดรอกไซด์                สบู่              แอลกอฮอล์

 

           ในขณะที่เกลือแอลกอฮอล์ (RONa) และโลหะแอลคาไล ที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถให้ร้อยละการเปลี่ยนที่สูงอย่างชัดเจน  แต่ก็มีราคาสูงและมีความเสี่ยงต่อความปลอดภัยสูงตามไปด้วย จึงทำให้มีความน่าสนใจน้อยลงสำหรับการผลิตไบโอดีเซลในเชิงพาณิชย์ แต่จากผลการสำรวจเบื้องต้นของ Wright และคณะ (1944) ทำให้ Mittelbach นำมาแสดงให้เห็นว่าแอลคาไลไฮดรอกไซด์ (alkali hydroxide) อาจเป็นทางเลือกที่มีใช้งานได้ เพราะมีราคาถูกกว่าและใช้งานได้ง่ายกว่า โดย Caldin และ Long, 1954 เสนอไว้ว่าหากโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ (หรือโซดาไฟ, NaOH) ละลายในแอลกอฮอล์ จะเกิดเป็นสารละลายที่ประกอบด้วยไฮดรอกไซด์ไอออน (hydroxide) และ แอลคอกไซด์ไอออน ในสภาวะที่สมดุลกัน (ดูตามสมการข้างล่าง) โดยสรุปว่าความเข้มข้นของแอลคอกไซด์ไอออนที่เกิดขึ้นนั้น แปรตามความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา ค่า pKa  ตามแอลกอฮอล์ที่ใช้ และปริมาณของน้ำที่มีอยู่ ดังตัวอย่างของสารละลาย 0.1 โมลาร์ของโซเดียมไฮดรอกไซด์ในเอทานอลความบริสุทธิ์ 99% ปริมาณ 96% ของเบสทั้งหมดจะอยู่ในรูปของเอทอกไซด์ไอออน (ethoxide ion) และจะเป็นเช่นเดียวกันสำหรับในเมทานอลบริสุทธ์ ดังนั้น การไฮโดรไลซิสโดยใช้ด่างเป็นสารเข้าทำปฏิกิริยาและเกิดเป็นสบู่จะเป็นปฏิกิริยาส่วนน้อยที่เกิดในแอลกอฮอล์ที่ปราศจากน้ำ แต่ Tarasov และคณะ รายงานว่าค่าคงตัวสมดุลของปฏิกิริยานี้ มีค่าเพียง 5.5x10-2ซึ่งหมายถึงจะมีการแตกตัวเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

สมการเคมีในการละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ในเมทานอล คือ

          NaOH + CH3OH ↔ H2O + Na+ + CH3O-.

และสมดุลที่เกิดขึ้นระหว่าง CH3O- และ OH- คือ

            CH3O- + H2O ↔ CH3OH + OH-

 

ผม..เอง

 

 

หมวดหมู่บันทึก: การเรียนการสอน
สัญญาอนุญาต: ซีซี: แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-อนุญาตแบบเดียวกัน Cc-by-nc-sa
สร้าง: 02 ธันวาคม 2554 20:49 แก้ไข: 02 ธันวาคม 2554 20:49 [ แจ้งไม่เหมาะสม ]
ดอกไม้
สมาชิกที่ให้กำลังใจ: Ico24 Our Shangri-La และ Ico24 ใยมะพร้าวน้องใยไหม.
สมาชิกที่ให้กำลังใจ
 
Facebook
Twitter
Google

บันทึกอื่นๆ

ความเห็น

ไม่มีความเห็น

ร่วมแสดงความเห็นในหน้านี้

ชื่อ:
อีเมล:
IP แอดเดรส: 3.94.21.209
ข้อความ:  
เรียกเครื่องมือจัดการข้อความ
   
ยกเลิก หรือ