Research

ท่านรู้หรือไม่ว่าน้ำมันดีเซลแบบใหม่มีกี่ชนิด ?


อาจารย์ธรรมนูญ อุดมมั่น  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
23 พฤศจิกายน 2557  

       ในยุคที่น้ำมันเชื้อเพลิงมีราคาแพงมากขึ้น เมื่อย้อนไปเทียบจากช่วงที่ผู้เขียนถูกแม่ใช้ให้ไปซื้อน้ำมันดีเซลหรือบางครั้งเรียกว่าน้ำมันโซล่าเพื่อใช้กับเครื่องสูบน้ำจำนวน 5 ลิตร คิดเป็นเงิน 35 บาท แต่ทุกวันนี้ 35 บาท ซื้อน้ำมันได้เพียง 1 ลิตร จึงมีข่าวการใช้น้ำมันชนิดต่างๆ เช่น ใช้น้ำมันมะพร้าวแทนน้ำมันดีเซลหรือนำน้ำมันมะพร้าวมาผสมกับน้ำมันดีเซลเพื่อใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลรอบต่ำ แต่สมบัติยังไม่เหมาะสมที่จะนำไปใช้กับรถยนต์ ต่อมาจึงได้มีนักวิจัยเริ่มสนใจผลิตน้ำมันดีเซลที่ผลิตจากวัตถุดิบหรือน้ำมันจากธรรมชาติ เช่น น้ำมันปาล์ม น้ำมันสบู่ดำ น้ำมันถั่วเหลือง น้ำมันจากไขมันสัตว์ และน้ำมันพืชที่ผ่านการใช้แล้ว เป็นต้น โดยนำวัตถุดิบข้างต้นมาทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ เช่น เมทานอล และเอทานอล ใช้ปฏิกิริยาเคมีที่เรียกว่า “ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน (Transesterification)” แล้วจึงได้น้ำมันเชื้อเพลิงที่เรียกว่า  “ไบโอดีเซล” นั่นเอง บทความนี้อยากให้ผู้อ่านได้ทราบคำตอบของคำถามที่น่าสนใจได้แก่

ท่านผู้อ่านรู้หรือไม่ว่าน้ำมันดีเซลแบบใหม่มีกี่ชนิด ?

วิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ ม.มหานคร ได้ทำงานวิจัยผลิตไบโอดีเซลแบบใดบ้าง ?

       จากข้อความข้างต้น ไบโอดีเซล เป็นน้ำมันดีเซลแบบใหม่ยุคแรก (First generation) ซึ่งเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและกระบวนการผลิตไม่ซับซ้อน โดยมีการใช้แพร่หลายในประเทศแถบยุโรป โดยเฉพาะในรูป B20 เพราะมีสมบัติใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซล และเข้ากันได้กับอุปกรณ์ขนส่งและจัดเก็บ แต่เนื่องจากน้ำมันพืช เช่น น้ำมันปาล์ม น้ำมันถั่วเหลือง เป็นวัตถุดิบหลัก จึงเกิดการแย่งวัตถุดิบกันระหว่างอุตสาหกรรมอาหารและน้ำมันเชื้อเพลิง อีกทั้งการผลิตไบโอดีเซลมากขึ้นทำให้มีการผลิตกลีเซอรีน (Glycerine) มากขึ้นด้วยเป็นเหตุให้ราคาของกลีเซอรีนลดลงอีกด้วย ดังนั้นจึงเกิดแนวคิดที่จะผลิตน้ำมันดีเซลแบบใหม่ชนิดอื่นๆ ที่ผลิตจากวัตถุดิบที่แตกต่างไปซึ่งจะกล่าวถึงดังต่อไปนี้

       น้ำมันดีเซลแบบใหม่  แบ่งได้เป็น 5 ชนิด ได้แก่

       1. ไบโอดีเซล 
       ไบโอดีเซลสังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยาระหว่างน้ำมันพืช (Triglyceride) กับเมทานอล (Methanol) จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นไบโอดีเซลหรือเมทิลเอสเทอร์ (Fatty Acid Methyl Ester: FAME) และกลีเซอรีน (Glycerine) ดังรูปที่ 1
โดยนิยมเพิ่มอัตราเร็วของการเกิดปฏิกิริยาด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสารที่มีฤทธิ์ด่างแก่ เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) 

รูปที่ 1 ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ำมันพืชกับเมทานอล

       ไบโอดีเซลนี้สามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงและใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลได้ โดยส่วนใหญ่ใช้ผสมในน้ำมันดีเซลในอัตราส่วนไม่เกินร้อยละ 5 เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำมันดีเซลแล้วไบโอดีเซลช่วยให้การเผาไหม้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ลดมลพิษต่างๆ ได้ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรคาร์บอน อีกทั้งไบโอดีเซลยังมีค่าซีเทนที่สูงทำให้เครื่องยนต์สตาร์ทติดง่ายและปลดปล่อยสารประกอบของกำมะถันน้อยมาก

       สำหรับประเทศไทยผลิตไบโอดีเซลจากน้ำมันปาล์มเป็นหลัก ส่วนแถบยุโรปใช้น้ำมันจากต้นเรฟซีด (Rapeseed)  และประเทศสหรัฐอเมริกาใช้น้ำมันถั่วเหลือง โดยต้นทุนของการผลิตไบโอดีเซลขึ้นอยู่กับราคาของน้ำมันพืชที่เป็นวัตถุดิบถึงร้อยละ 88 แต่ถ้าวัตถุดิบเป็นน้ำมันที่ผ่านการใช้งานแล้วสามารถลดต้นทุนได้ [1]
       แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นด่างแก่มีข้อดีที่ทำให้ได้ค่าร้อยละการเปลี่ยนแปลงจากน้ำมันพืชไปเป็นไบโอดีเซลสูงและใช้เวลาทำปฏิกิริยาน้อยเพียง 30 นาที ถึง 1 ชั่วโมง แต่ข้อเสียคือน้ำมันพืชที่นำมาใช้ต้องมีความบริสุทธิ์สูง และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นด่างแก่จะกัดกร่อนอุปกรณ์การผลิต และต้องใช้น้ำล้างตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากไบโอดีเซลทำให้เกิดน้ำเสียที่เป็นด่างสูง
       ดังนั้น ปัจจุบันตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งกำลังได้รับความสนใจมากขึ้น และพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งให้มีความว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยาเพื่อผลิตไบโอดีเซลมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง เพราะว่าสามารถแยกตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งออกจากผลิตภัณฑ์ได้ง่าย และนำกลับมาใช้ใหม่ได้ โดยตัวอย่างตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่ได้รับการวิจัยและปรับปรุง เช่น แคลเซียมออกไซด์ (CaO) หรือ ZnO เป็นต้น 
       สำหรับภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ ม.มหานคร ได้เห็นความสำคัญของการพัฒนาเกี่ยวกับพลังงานทดแทน และได้ทำการวิจัยเพื่อพัฒนากระบวนการผลิตและตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการผลิตไบโอดีเซล อาทิเช่นงานวิจัยต่อไปนี้    
       1) การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาแคลเซียมออกไซด์ (CaO) จากเปลือกไข่ไก่ กระดองปู และเปลือกหอยแครง สำหรับการผลิตไบโอดีเซล [2] งานวิจัยนี้พบว่าแคลเซียมออกไซด์สามารถเตรียมได้จากวัสดุของแข็งต้นทุนต่ำที่มีแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นองค์ประกอบหลัก เช่น เปลือกไข่ไก่ ไข่เป็ด และกระดองสัตว์ต่างๆ เป็นต้น โดยการนำมาเผาที่อุณหภูมิในช่วง 800-1,000 องศาเซลเซียส จะได้แคลเซียมออกไซด์ ดังสมการที่ (1)

CaCO3 → CaO + CO2                               (1)

       เมื่อนำแคลเซียมออกไซด์มาปรับปรุงด้วยโพแทสเซียมฟลูออไรด์ (KF) ทำให้เกิดสารเป็นประกอบฟลูออไรด์บริเวณพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา (KCaF3) จึงทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีความเป็นด่างสูงขึ้น และทำให้เมทานอลแตกตัวเป็นเมทอกไซด์ (CH3O-) มากขึ้น ส่งผลให้ได้ร้อยละการเปลี่ยนน้ำมันปาล์มเป็นไบโอดีเซลมีค่าสูงขึ้นด้วย 
       โดยสภาวะที่เหมาะสมในการสังเคราะห์ไบโอดีเซล คือ ใช้อัตราส่วนเมทานอลต่อน้ำมันปาล์ม 16:1 โดยโมล ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาร้อยละ 8 โดยน้ำหนักน้ำมันปาล์ม ที่อุณหภูมิ 65oC และเวลาทำปฏิกิริยา 4 ชั่วโมง ได้ร้อยละการเปลี่ยนแปลงน้ำมันปาล์มเป็นไบโอดีเซลเท่ากับ 97.06
       2) การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาจากทะลายปาล์มเปล่า (Empty fruit bunch, EFB) สำหรับการผลิตไบโอดีเซล [3] งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าทะลายปาล์มเปล่าที่ผ่านการเผาที่ 500oC สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อผลิตไบโอดีเซลจากน้ำมันปาล์มที่ผ่านการใช้งานแล้ว โดยสภาวะที่เหมาะสมในการสังเคราะห์ไบโอดีเซล คือ ใช้อัตราส่วนเมทานอลต่อน้ำมันปาล์ม 16:1 โดยโมล ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาร้อยละ 15 โดยน้ำหนักน้ำมันปาล์ม และเวลาทำปฏิกิริยา 100 นาที ได้ร้อยละการเปลี่ยนแปลงน้ำมันปาล์มเป็นไบโอดีเซลเท่ากับ 98.97

       2. กรีนดีเซล (Green diesel) 
       กรีนดีเซล ผลิตโดยใช้วัตถุดิบเป็นน้ำมันพืชหรือน้ำมันจากสัตว์เช่นเดียวกับการผลิตไบโอดีเซล แต่ใช้กระบวนการคล้ายกับกระบวนการทางอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมัน คือ Catalytic hydroprocessing นอกจากน้ำมันพืชแล้วยังสามารถใช้ไขมันสัตว์ได้ด้วย องค์ประกอบส่วนใหญ่ของกรีนดีเซลประกอบด้วยพวกพาราฟินส์เป็นส่วนใหญ่ ดังรูปที่ 2 กรีนดีเซลจะมีสมบัติใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซลปกติ แต่มีสมบัติบางประการที่ดีกว่าไม่ว่าจะเป็นค่าความหนาแน่นที่น้อยกว่า มีค่าซีเทนสูงกว่า อีกทั้งยังมีปริมาณสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์และซัลเฟอร์จากการเผาไหม้ลดลง 

รูปที่ 2 ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ของการสังเคราะห์กรีนดีเซล [4]

       3. ฟิชเชอร์-ทรอปซ์ ไบโอดีเซล (Fischer-Tropsch biodiesel) 
       เป็นการผลิตไบโอดีเซลที่ได้จากกระบวนการฟิชเชอร์-ทรอปซ์ เป็นอีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการผลิตพลังงานทดแทนที่น่าสนใจ การผลิตน้ำมันดีเซลแบบนี้สังเคราะห์จากคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนด้วยกระบวนการฟิชเชอร์-ทรอปซ์แสดงดังสมการที่ 2 และ 3 ผลิตภัณฑ์นี้เป็นผลิตภัณฑ์ที่สะอาดไม่มีสารประกอบซัลเฟอร์ผสมอยู่ มีค่าซีเทนสูง จึงเหมาะสำหรับนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทน

  น้ำมันพืช  →  แก๊สสังเคราะห์ (Syngas: CO + H2)               (2)

Fischer-Tropsch Synthesis
แก๊สสังเคราะห์ (Syngas: CO + H2) เชื้อเพลิงเหลว (Diesel)             (3)

       4. ไวท์ดีเซล (White diesel) 
       เป็นน้ำมันดีเซลที่ผลิตจากกระบวนการปรับปรุงคุณภาพด้วยไฮโดรเจน (Hydrotreatment) ของน้ำมันที่ใช้แล้ว (waste cooking oil) ซึ่งมีหลักการและสมบัติของน้ำมันคล้ายกับกรีนดีเซล โดยผลิตภัณฑ์ที่ได้จะปราศจากสารอะโรมาติก (Aromatic) และสารประกอบซัลเฟอร์ มีค่าซีเทนสูง ความหนาแน่นของน้ำมันเชื้อเพลิงต่ำ ซึ่งอาจเป็นพลังงานทางเลือกได้อีกอย่างหนึ่ง 

       5. ไฮบริดไบโอดีเซล (Hybrid biodiesel) 
       ไฮบริดไบโอดีเซล ผลิตจากกระบวนการปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันพืชผสมกับน้ำมันปิโตรเลียมด้วยไฮโดรเจนนั่นเอง ซึ่งพลังงานทดแทนชนิดนี้เป็นพลังงานที่สะอาดที่สุดในที่กล่าวมา ไฮบริดไบโอดีเซลให้ค่าซีเทนใกล้เคียงกับไบโอดีเซล แต่ค่าความร้อนใกล้จะเคียงกับไวท์ดีเซล (White diesel)
       สมบัติสำคัญของน้ำมันดีเซลชนิดใหม่ต่างๆ เทียบกับน้ำมันดีเซล (Fossil diesel) แสดงดังตารางที่ 1 

ตารางที่ 1 สมบัติสำคัญของน้ำมันดีเซลชนิดใหม่ต่างๆ 

       จากข้อมูลที่ได้กล่าวมานี้เกี่ยวกับน้ำมันดีเซลชนิดต่างๆ นั้น ซึ่งสามารถนำมาใช้ในชีวิตประจำวันได้ แต่เนื่องจากน้ำมันดีเซลบางชนิดยังมีราคาต้นทุนที่สูง จึงยังไม่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลายในภาวะที่ราคาน้ำมันของโลกยังไม่สูงมากนัก สำหรับภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ ม.มหานคร นอกจากการพัฒนาด้านตัวเร่งปฏิกิริยา ยังมีงานวิจัยด้านกระบวนการผลิต เช่น การผลิตไบโอดีเซลด้วยเครื่องปฏิกรณ์แบบร่วมกับการกลั่น (Reactive distillation) [5] การผลิตไบโอดีเซลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งร่วมกับการใช้คลื่นไมโครเวฟให้ความร้อน [6] เป็นต้น

แหล่งที่มาข้อมูล
[1] Stella Bezergianni and Athanasios Dimitriadis, Comparison between different types of renewable diesel, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 21, pp. 110–116, 2013.
[2] วิชชุลดา ชัยพร, ธรรมนูญ อุดมมั่น, ธีรทรัพย์ ดุสิต, บัณฑิต อยู่เย็น, การผลิตไบโอดีเซลจากน้ำมันปาล์มด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา KF/CaO ที่เตรียมได้จากเปลือกไข่ไก่, การประชุมวิชาการวิศวกรรมเคมีและเคมีประยุกต์แห่งประเทศไทย ครั้งที่ 22, 25 – 26 ตุลาคม 2555, ณ โรงแรมเดอะกรีนเนอรี่ รีสอร์ท จ. นครราชสีมา
[3] Narisara Intarachandra, Krittiya Somsri, Wachiraporn Chubunlarp and Nontawit Laksameena, Production of Biodiesel by Transesterification of Waste Cooking Oil (WCO) using a Heterogeneous Catalyst Derived from Palm Empty Fruit Bunch (EFB), The 4th TIChE International Conference 2014, Chiang Mai, Thailand, December 18-19, 2014
[4] Masita Mohammad, Thushara Kandaramath Hari, Zahira Yaakob, Yogesh Chandra Sharma and Kamaruzzaman Sopian, Overview on the production of paraffin based-biofuels via catalytic hydrodeoxygenation, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 22, pp. 121–132, 2013.
[5] ชาติชาญ ตรียะเวชกุล, ณัฏฐ์ สุริยาประเสริฐ, ชุติมา กัปตัน และ สิทธิพงษ์ เพ็งพานิช, การประเมินพลังงานและเศรษฐศาสตร์ของการผลิตไบโอดีเซลด้วยเครื่องปฏิกรณ์แบบร่วมกับการกลั่นโดยใช้โปรแกรม ASPEN PLUS, การประชุมวิชาการวิศวกรรมเคมีและเคมีประยุกต์แห่งประเทศไทย ครั้งที่ 22, 25 – 26 ตุลาคม 2555, ณ โรงแรมเดอะกรีนเนอรี่ รีสอร์ท จ. นครราชสีมา
[6] รางวัลชมเชย นวัตกรรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเพื่อการพัฒนาที่ยั่งยืน ครั้งที่ 2 จากงานวิจัยเรื่อง “การผลิตไบโอดีเซลแบบใหม่” จัดโดยสมาคมวิศวกรรมเคมีและเคมีประยุกต์แห่งประเทศไทย, 29 เม.ษ. 2552.

<< ย้อนกลับ