بخشی از مقاله
چکیده
کربوهیدراتها که رایجترین ترکیبات آلی به طور طبیعی بر روي زمین هستند این قابلیت را دارند که براي تأمین انرژي مورد استفاده قرار گیرند. این مقاله روش جدیدي را که راهی براي تولید سوخت زیستی است و میتواند انواع کربوهیدراتهاي خوراکی و غیرخوراکی مشتق شده از زیست توده را به سوختهاي مایع رایج تبدیل کند شرح میدهد.
این روش که براي تبدیل کربوهیدراتهاي مشتق شده از زیست توده از تکنیکهاي کاتالیزوري بهره میگیرد فرآیند تشکیل زیستی نامیده میشود. فرآیند تشکیل زیستی فرآیندي متشکل از دو مرحله اساسی است. مرحله کلیدي، مرحله رفرمینگ فاز آبی - APR - است که طی آن کربوهیدراتهاي محلول در آب به هیدروژن، آلکانهاي سبک و انواع زیادي از حدواسطهاي شیمیایی تراکمپذیر تبدیل میشوند.
در مرحله بعدي، حدواسطهاي تشکیل شده از مرحله اول که غالباً ترکیبات تک اکسیژنه می باشند متحمل یک سري واکنشهاي تراکمی کاتالیزوري خاص شده تا هیدروکربنهاي مناسب براي تهیه بنزي، سوخت جت و سوخت دیزل تولید نماید. بسته به تکنولوژيهاي تراکمی به کار برده شده، فرآیند تشکیل زیستی میتواند هیدروکربنهاي مناسب براي تهیه بنزین، سوخت جت و سوخت دیزلی را تولید کند.
فرآیند تشکیل زیستی مزایایی دارد که از آن جمله میتوان به قابلیت استفاده از انواع منابع کربوهیدراتی، حداقل تأثیر بر روي مصرف آب و غذاي بشر، راندمان بیشتري در تولید انرژي و کاهش تولید دياکسیدکربن اشاره کرد.
-1 مقدمه
رشد روزافزون جمعیت و به موازات آن افزایش مصارف گوناگون بشر، باعث افزایش استفاده از منابع انرژي در جهان شده است و از آنجایی که کشورها براي رشد اقتصادي خود نیازمند انرژي هستند همواره مقادیر بیشتري از آن را مطالبه میکنند. در حال حاضر اصلی-ترین منابع انرژي مورد استفادة بشر، سوختهاي فسیلی مانند زغال سنگ، نفت وگاز طبیعی میباشند که منابعی برگشتناپذیر و تجدیدنشدنی هستند.
بحث بحران انرژي که طی سالهاي اخیر در سراسر جهان به گوش میرسد توجه همه را به ماهیت محدود منابع سوختهاي فسیلی جلب کرده است. بر اساس شواهد موجود، چنانچه مصرف سوختهاي فسیلی همچون گذشته با روند پر شتاب خود به پیش رود، ذخایر این نوع سوختها در مدت زمان نسبتاً کوتاهی رو به نابودي میرود؛ از این رو تلاشهاي بسیاري براي دستیابی به منابع مطمئن و ارزانتر انرژي صورت گرفته است که در نتیجه آن ترکیبات کربوهیدراتی بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند.
کربوهیدراتها رایجترین ترکیبات آلی به طور طبیعی بر روي زمین هستند. گیاهان منبعی غنی از کربوهیدراتها بوده و از کربوهیدراتهایی مانند قندها و نشاستهها، به عنوان ذخایر انرژي، همچنین به عنوان واحدهاي سازندة ساختاري خود، مانند سلولز و همیسلولز بهره میگیرند؛ بنابراین موادي که داراي منشأ گیاهی هستند این قابلیت را دارند که به عنوان منابع کربوهیدراتی براي تأمین انرژي مورد استفاده قرار گیرند.
همانطور که میدانیم کربوهیدراتها ترکیباتی متشکل از کربن، هیدروژن و اکسیژن میباشند. به عبارتی میتوان گفت کربوهیدراتها همان هیدروکربنهاي اکسیژندار هستند. در واقع علت اصلی توجه و تمرکز بر کریوهیدراتها به عنوان مولکولهاي حامل انرژي ماهیت واکنشپذیر آنها میباشد که به واسطه این واکنشپذیري قادر خواهند بود محتواي اکسیژن خود را از دست داده و هیدروکربنها را تولید نمایند.
طی چندین دهه سال اخیر تلاشهاي بسیاري در جهت تولید سوختهاي مایع هیدروکربنی از جمله بنزین، سوخت جت و سوخت دیزلی از منابع گیاهی شده است
در این مقاله روشی براي تهیه ترکیبی از هیدروکربنهایی که براي استفاده به عنوان بنزین، سوخت جت و سوخت دیزلی مفید میباشند ارائه شده است. این روش متشکل از دو مرحله اساسی است. مرحله کلیدي، تکنولوژي رفرمینگ فاز آبی - APR - است و مرحله دوم نیز متشکل از یک سري فرآیندهاي کاتالیزوري رایجی است که غالباً در پالایشگاههاي نفت مورد استفاده قرار میگیرند. تلفیق این دو مرحله تحت عنوان تکنولوژي جدیدي به نام »فرآیند تشکیل زیستی«1 شناخته می شود
-2 فرآیند تشکیل زیستی
همانطور که گفته شد فرآیند تشکیل زیستی فرآیندي متشکل از دو مرحله اساسی است. مرحله اول و کلیدي، تکنولوژي رفرمینگ فاز آبی - APR - است که طی آن کربوهیدراتهاي محلول در آب به هیدروژن، آلکانهاي سبک و انواع زیادي از حدواسطهاي شیمیایی تراکمپذیر تبدیل میشوند. در مرحله دوم، حدواسطهاي تشکیل شده از مرحله APR -که غالباً ترکیبات تک اکسیژنه می باشند- متحمل یک سري واکنشهاي تراکمی کاتالیزوري خاص – مشابه با فرآیندهاي کاتالیزوري رایجی که غالباً در پالایشگاههاي نفت مورد استفاده قرار میگیرند- شده تا هیدروکربنهاي مناسب براي تهیه بنزین، سوخت جت و سوخت دیزلی را تولید نمایند
واکنشهاي کلیدي در فرآیند تشکیل زیستی عبارتند از: - 1 هیدرولیز، - 2 آبگیري، - 3 ایزومریزاسیون، - 4 تراکم آلدولی،
- 5 رفرمینگ و - 6 هیدروژناسیون.
بنزین، سوخت جت و سوخت دیزلی تولید شده با استفاده از این تکنولوژي، از نظر ترکیب، محتواي انرژي گرمایی، عملکرد و کارآیی، مشابه سوختهاي به دست آمده از منابع نفتی میباشند.
در ادامه به شرح کامل مراحل فرآیند تشکیل زیستی پرداخته شده است.
-3 تولید سوخت زیستی با استفاده از تکنولوژي فرآیند تشکیل زیستی
-1-3 آماده سازي زیست توده
کربوهیدراتهاي موجود در زیست توده معمولاً به دو دسته محلول و نامحلول در آب تقسیم میشوند. قبل از هر کاري میبایست کربوهیدراتهاي نامحلول زیست توده را از طریق یک سري اعمال شیمیایی به کربوهیدراتهاي محلول در آب تبدیل نمود. براي این منظور از دو فرآیند هیدرولیز اسیدي و فرآوري توسط هیدروژن1 استفاده میشود.
-1-1-3 آماده سازي زیست توده توسط هیدرولیز اسیدي
نقطه شروع در تولید آلکانهاي مایع از کربوهیدراتها، هیدرولیز اسیدي پلی ساکاریدهایی مانند سلولز، همیسلولز، نشاسته و اینولین به منظور تولید قندها، قند الکلها و مونوساکاریدهایی مانند گلوکز، فروکتوز و زایلوز است. کربوهیدراتها میتوانند از منابع مختلفی همچون محصولات قندي، غلات، ضایعات کشاورزي - ساقه هاي ذرت، پوست دانهها، ملاس، باگاس و ... - ، مواد چوبی - چوب یا پوست درختهایی مانند بید و صنوبر، خاك اره، الوار و ... - ، ضایعات شهري - ضایعات کاغذ، پسماندهاي روغنی و ... - ، یونجه، سویا و مانند آن نشأت بگیرند. هیدرولیز شامل شکست پیوندهاي C‐O‐C است و معمولاً در حضور کاتالیزورهاي اسید معدنی انجام میشود
واکنش هیدرولیز غالباً توسط اسید کلریدریک - HCl - با غلظت 15-25% - w/w - ، در محدودة دمایی 100-150°C و فشار 5 atmانجام می شود.
-2-1-3 آماده سازي زیست توده توسط فرآوري با هیدروژن
بهتر است که مونوساکاریدهاي محلول در آب به دست آمده از مرحله هیدرولیز اسیدي قبل از ورود به رآکتور APR متحمل یک مرحله هیدروژناسیون اولیه شده تا به الکلهاي پلیهیدریک - قندالکلها - و به ترکیبات اکسیژندار با زنجیرة کوتاهتر - مانند گلیسرول، پروپیلن گلیکول، اتیلن گلیکول و... - که ترکیبات واکنشپذیرتري هستند تبدیل شوند.هیدروژن مورد نیاز براي این فرآیند می تواند از یک منبع خارجی و یا از هیدروژن تولید شده ضمن فرآیند APR تأمین شود.
