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

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

อ่าน: 3006
ความเห็น: 2

PSU ไบโอดีเซล 90: จลนพลศาสตร์ในปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์แอลคาไลน์ (2)

 

 

Initial state

Final state (no saponification)

 

mol

%mol

mol

%mol

TG

1.178

13.578

0.035

0.407

FFA

0.037

0.427

0.001

0.009

Water

0.096

1.108

0.132

1.526

Methanol

7.188

82.830

3.759

43.319

KOH

0.179

2.058

0.142

1.640

Glycerol

-

-

1.143

13.170

Ester

-

-

3.429

39.511

Soap

-

-

0.036

0.418

Total mol

8.677

100.0

8.677

100.0

 

ในมุมมองของนักวิจัยทั่วไปมักจะคิดว่า สบู่เกิดจาก FFA ที่เข้ามากับสารป้อนเท่านั้น แต่สิ่งที่เราพบนั้น สบู่ที่เกิดขึ้นมีมากกว่าปริมาณ FFA ที่เข้ามามาก ดังนั้นปฏิกิริยาที่เป็นอุปสรรคจริง ๆ น่าจะเป็นปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสนี้

Ester +Water FFA + Alc

และน้ำที่ปนเข้ามาเพียงเล็กน้อยน้ำนั้น จะไม่หมดไป ถึงแม้ในสมการไฮโดรไลซิสจะมีการใช้น้ำไป แต่ปฏิกิริยาสะเทินกรด-เบส ก็จะคืนน้ำมาให้อีกต่อไป

FFA + Base → Soap + Water

ซึ่งเมื่อรวมเป็นปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชันจะเขียนสมการได้ดังนี้

Ester + Base → Soap + Alc

แต่การเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสก็ไม่ได้รวดเร็วจนเกินไปนักเมื่อใช้เมทานอลเป็นสารเข้าทำปฏิกิริยา แต่ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสนี้จะเกิดเร็วขึ้นมากเมื่อใช้เอทานอลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ดังนั้นหากเราสมมติให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดเป็นสบู่ประมาณครึ่งหนึ่งของที่มีอยู่ในระบบเริ่มต้นเราก็อาจได้ตารางดุลมวลดังนี้

 

Initial state

Final state (with saponification)

 

mol

%mol

mol

%mol

TG

1.178

13.578

0.035

0.407

FFA

0.037

0.427

0.001

0.009

Water

0.096

1.108

0.132

1.526

Methanol

7.188

82.830

3.812

43.930

KOH

0.179

2.058

0.089

1.029

Glycerol

-

-

1.143

13.170

Ester

-

-

3.376

38.900

Soap

-

-

0.089

1.029

Total mol

8.677

100.0

8.677

100.0

 

เราจะพบว่าเมทานอลเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ตัวเร่งปฏิกิริยาลดลง เอสเตอร์ลดลง และสบู่มากเพิ่มขึ้น

 










เมื่อเราหยุดกวน เฟสกลีเซอรอล (glycerol-rich phase) จะแยกชั้นออกจากเฟสเอสเตอร์ เราจะตั้งสมมติฐานการกระจายตัวของทั้ง 2 เฟส ซึ่งมีข้อมูลจากการวัดสัดส่วนองค์ประกอบจากการทดลองโดยประมาณดังนี้

 

Distribution ratio

substance

Ester-rich phase

Glycerol-rich phase

TG

0.95

0.05

FFA

0.5

0.5

Water

0.05

0.95

Methanol

0.4

0.6

KOH

0.2

0.8

Glycerol

0.01

0.99

Ester

0.99

0.01

Soap

0.4

0.6

เราจะได้ตารางดุลมวลและองค์ประกอบของเฟสเอสเตอร์และเฟสกลีเซอรอลดังนี้

 

 

Ester-rich phase

Glycerol-rich phase

 

mol

mol%

weight

wt%

mol

mol%

weight

wt%

TG

0.0335

0.675

28.172

2.737

0.0017

0.048

1.483

0.703

FFA

0.00037

0.007

0.100

0.010

0.00037

0.010

0.100

0.047

Water

0.0066

0.133

0.119

0.012

0.1257

3.395

2.264

1.073

Methanol

1.5247

30.667

48.793

4.741

2.2871

61.728

73.190

34.678

KOH

0.0178

0.359

1.000

0.097

0.0714

1.928

4.000

1.895

Glycerol

0.0114

0.230

1.051

0.102

1.1314

30.535

104.090

49.318

Ester

3.3418

67.210

939.041

91.236

0.0338

0.911

9.485

4.494

Soap

0.0357

0.718

10.964

1.065

0.0535

1.446

16.446

7.792

 

4.9721

100.0

1029.241

100.0

3.7053

100.0

211.058

100.0

จากข้อมูลองค์ประกอบเชิงโมลของเฟสเอสเตอร์ เราจะพบว่าองค์ประกอบส่วนใหญ่คือ เอสเตอร์และเมทานอล ดังนั้นเมื่อเราแยกคืนเมทานอลออกด้วยการระเหยหลายครั้ง เราก็จะทำบริสุทธิ์เอสเตอร์เฟสได้ต่อไปทันที เราจะแสดงองค์ประกอบเชิงมวลของเฟสเอสเตอร์และเฟสกลีเซอรอลอีกครั้งเพื่อเปรียบดูความแตกต่างของการนำเสนอองค์ประกอบ 2 รูปแบบ

 

ครั้งนี้เราจะพบว่าองค์ประกอบโดยน้ำหนักของผลผลิตจะเด่นขึ้นมาอย่างน้อย 3 ส่วนประกอบ โดยมีไตรกลีเซอไรด์เพิ่มขึ้นมาด้วย  และถ้าเราทำเฟสเอสเตอร์ให้บริสุทธิ์เราจะพบว่าองค์ประกอบจะเปลี่ยนไปอีก สมมติว่าเราทำบริสุทธิ์ได้ดีมาก จนสามารถขจัดน้ำ เมทานอล ตัวเร่งปฏิกิริยา กลีเซอรอล และสบู่ออกได้จนหมด เราจะได้องค์ประกอบที่เหลือดังนี้

Mol composition

Weight composition

 

mol

mol%

weight

wt%

TG

2.737

2.912

28.172

2.912

FFA

0.010

0.0103

0.100

0.010

Ester

91.236

97.077

939.041

97.077

 

93.983

100.0

967.313

100.0

 

จากองค์ประกอบที่แสดงนี้เราจะพบว่า ไบโอดีเซลของเรายังไม่ได้มาตรฐาน เพราะมีไตรกลีเซอไรด์เกินค่ามาตรฐาน ซึ่งบ่งบอกว่า เราต้องดำเนินการให้ TG เกิดปฏิกิริยามากกว่า 97% และในกรณีนี้เราจะได้ผลได้ (yield) 96.7%

ถ้าเราพิจารณาในเฟสกลีเซอรอลบ้าง เราจะพบว่า โมลของเมทานอลสูงกว่าโมลของกลีเซอรอล ส่วนประกอบของน้ำ และ ตัวเร่งปฏิกิริยาตามมาเป็นอันดับ 3 และ 4 เราจะพบว่ากลีเซอรอลและเมทานอลจะดึงเอาน้ำและตัวเร่งปฏิกิริยามาอยู่ร่วมด้วยกันเป็นปริมาณมาก และหากพิจารณาในองค์ประกอบเชิงมวล เราจะพบว่ามีกลีเซอรอลประมาณครึ่งหนึ่ง เมทานอลมากกว่า 34% สบู่ 7% และเอสเตอร์ 4% แม้ว่าตัวเลขเหล่านี้เป็นตัวเลขประมาณการ แต่เราก็จะเห็นนัยยะสำคัญได้บ้างว่า  หากเราต้องการทำการผลิตไบโอดีเซลให้ได้ดีกว่านี้ เราควรปรับปรุงการผลิตอย่างไร

ประมาณ 18 เดือนมาแล้ว ที่เราสามารถถ่ายภาพเฟสกลีเซอรอลและเฟสเอสเตอร์ได้ด้วยการใช้กล้อง CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy) ทำให้เราเข้าใจระบบของการเกิดปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันของการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์เอกพันธุ์มากขึ้น

ภาพต่อไปนี้เป็นภาพของเฟสเอสเตอร์ที่ใช้แอลกอฮอล์ผสมของเมทานอลและเอทานอล ในสัดส่วนเชิงโมล 5:1 โดยเอสเตอร์จะแสดงด้วยสีดำ และกลีเซอรอลจะเป็นสีแดงเพราะการย้อมด้วยสี

           

การถ่ายรูปด้วยเทคนิค CLSM ไม่ต้องใช้กระจกปิดทับ เราจึงคิดว่าเราน่าจะได้ภาพที่แสดงรูปร่างได้ใกล้เคียงความเป็นจริงมากที่สุด คลัสเตอร์ของกลีเซอรอลจะรวมตัวกันเป็นกลุ่มที่มัลักษณะใกล้เคียงกับทรงกลม (การเห็นภาพที่ไม่ชัดแสดงว่ากลุ่มคลัสเตอร์นั้น ๆ ไม่อยู่ในระยะโฟกัส) เราจะเห็นขนาดของคลัสเตอร์ที่มีตั้งแต่ขนาดไม่กี่ไมครอนไปจนถึงกลุ่มที่ใหญ่มากกว่า 100 ไมครอน

ภาพต่อไปนี้เป็นภาพการใช้เอทานอลบริสุทธิ์ทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชัน เราจะไม่พบลักษณะกลุ่มคลัสเตอร์ แต่เราน่าจะพบลักษณะของอิมัลชันระหว่างเอสเตอร์และกลีเซอรอลแทน และสารประกอบที่สร้างปรากฏการณ์นี้ได้คงต้องเป็นสารประเภทอิมัลซิฟายเออร์ เช่นสบู่ หรือ โมโนกลีเซอไรด์

            

ความแตกต่างของการทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยชนิดแอลกอฮอล์ที่ต่างกันนั้น น่าจะมาจากอัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยา ระหว่างปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชัน และปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเอสเตอร์ เพราะปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันด้วยเอทานอลจะช้ากว่าเมทานอล ด้วยลักษณะโมเลกุลของเอทานอลที่ใหญ่กว่า และปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเอสเตอร์ในเอทานอลจะเร็วกว่า ด้วยสภาพการละลายของเอสเตอร์ในเอทานอลที่ดีกว่าในเมทานอล

ดังนั้นแนวคิดในการผลิตไบโอดีเซลที่มีกรดไขมันอิสระสูงด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์เอกพันธุ์อาจต้องกลับมาพิจารณาใหม่อีกครั้ง เพราะในกรณีสารป้อนคุณภาพสูงนั้น เราใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์น้อยกว่ามาก คือประมาณ 0.3%wt ของไตรกลีเซอไรด์ ดังนั้นปริมาณสบู่ที่เกิดขึ้นก็จำกัดตามปริมาณแอลคาไลน์ในระบบ ซึ่งต่างกับกรณี FFA สูง ซึ่งเราต้องใช้แอลคาไลน์ค่อนข้างมาก

ประเด็นที่น่าศึกษาใหม่ ในกรณีสารป้อนที่มี FFA สูง

  • เวลาในการทำปฏิกิริยาควรมีค่าเหมาะสมค่าหนึ่ง ในการได้คุณภาพตามมาตรฐานและผลได้สูงสุด เพราะยิ่งใช้เวลาทำปฏิกิริยานานขึ้นจะเกิดปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชันมากขึ้น
  • ในการผลิตเอทิลเอสเตอร์ ควรมีการปรับความเร็วการกวนตามเวลาหรือไม่ ในช่วงต้นควรให้ความเร็วสูง เพราะยังมี TG ซึ่งมีความหนืดสูงอยู่มาก และเมื่อเวลาผ่านไปควรลดระดับขั้นการกวนผสมลง เพราะอาจช่วยในปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเอสเตอร์มากขึ้น
  • การปรับเปลี่ยนอุณหภูมิในระหว่างการเกิดปฏิกิริยามีอิทธิพลที่สำคัญหรือไม่?
  • การทำปฏิกิริยาหลายขั้นตอนน่าจะมีอิทธิพลต่อปฏิกิริยารวม เพราะการแยกกลีเซอรอลออกช่วยในด้านการถ่ายโอนมวลที่ดีขึ้นในขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยา เพราะกลีเซอรอลที่เกิดขึ้นจำนวนมากจะเป็นกลุ่มอนุภาคขนาดเล็กที่ขัดขวางการเกิดปฏิกิริยา เพราะปฏิกิริยาน่าจะเป็น quasi-homogeneous เมื่อเวลาผ่านไป

 

ผม..เอง

 


หมวดหมู่บันทึก: การเรียนการสอน
สัญญาอนุญาต: ซีซี: แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-อนุญาตแบบเดียวกัน Cc-by-nc-sa
สร้าง: 05 กุมภาพันธ์ 2555 21:30 แก้ไข: 05 กุมภาพันธ์ 2555 21:30 [ แจ้งไม่เหมาะสม ]
ดอกไม้
สมาชิกที่ให้กำลังใจ: Ico24 Our Shangri-La, Ico24 ServiceMan, และ 3 คนอื่น.
สมาชิกที่ให้กำลังใจ
 
Facebook
Twitter
Google

บันทึกอื่นๆ

ความเห็น

อาจารย์เขียนได้เร็วจังค่ะ ตามอ่านไม่ทัน...แล้ว

จะเร่งให้จบเร็ว ๆ ครับ

ร่วมแสดงความเห็นในหน้านี้

ชื่อ:
อีเมล:
IP แอดเดรส: 18.204.229.70
ข้อความ:  
เรียกเครื่องมือจัดการข้อความ
   
ยกเลิก หรือ