بیودیزل : معرفی ، کاربرد و چشم انداز

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.

 

چرخه سوخت بیودیزل
چرخه سوخت بیودیزل

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) [4] 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
C12H24O2 ۱۲:۰ Dodecanoic Lauric
C14H28O2 ۱۴:۰ Tetradecanoic Myristic
C16H28O2 ۱۶:۰ Hexadecanoic Palmitic
C18H36O2 ۱۸:۰ Octadecanoic Stearic
C18H34O2 ۱۸:۱ Octadecenoic Oleic
C18H32O2 ۱۸:۲ Octadecadienoic Linoleic
C18H30O2 ۱۸:۳ Octadecatrienoic Linolenic
C20H40O2 ۲۰:۰ Eicosanoic Arachidic
C20H44O2 ۲۲:۰ Docosanoic Behenic
C22H42O2 ۲۲:۱ docosenoic Erucle
C24H48O2 ۲۴:۱ Tetracosanoic Lignoceric

 

 اسیدهای چرب

فرمول کلی اسیدهای چرب CH3 – (CH2)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

  1. به عنوان یک سوخت مناسب حتی کارآمدتر از سوخت دیزلی و ۱۰۰% جایگزین
  2. ماده اولیه ی تولید هیدروژن در پیل­های سوختی
  3. پاک کننده لکه­های روغن
  4. عامل محرک توربین­های تولید الکتریسیته دیزلی
  5. سوخت مناسب در گرمایش منازل
  6. در ایجاد روشنایی و پخت و پز
  7. به عنوان رقیق کننده گریس­ها و پاک کننده­های صنعتی
  8. افزودنی به سوخت دیزل جهت روانی بیشتر
  9. عامل پاک کننده­ی قیر
  10. پاک کننده سطوح چرب
  11. پاک کننده جوهر، رنگ و چسب
  12. پاک کننده واکس و ترکیبات ضد غبار
  13. ممانعت از خوردگی در سطوح فلزی
  14. 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 CO2 موجود در جهان افزوده شد و پدیده گلخانهای را به بار می آورد ولی مقدار CO2 تولید شده و انتشار یافته توسط موتورهای بیودیزل سوز تقریبا ۳ کیلوگوم بر لیتر سوخت و معادل CO2 جذب شده توسط گیاهان روغن زا در طی فرایندهای فتوسنتز و رشد می­باشد از این رو ثابت نگه داشتن غلظت CO2 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 CO2 در طی سال­های گذشته و همچنین در شکل (۲-۲) میزان انتشار گازهای گلخانهای قابل مشاهده است[۹] .

افزایش میزان CO2 در جو
افزایش میزان CO2 در جو

شکل ۱-۱: افزایش میزان CO2 در جو[۹]

انتشار نسبی گازهای گلخانهای
انتشار نسبی گازهای گلخانهای

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

دیدگاهتان را بنویسید

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