مقاله تولید آلکانهای تشکیل دهندة سوخت جت از زیست توده

بخشی از مقاله

چکیده

تحقیق مطالعاتی حاضر که به منظور یافتن راهی براي کاهش وابستگی به سوختهاي مایع نفتی انجام شده است روشی را براي تهیه ترکیبی از آلکانها که براي استفاده به عنوان سوختهاي مایع حمل و نقل و به ویژه سوخت جت مفید میباشند ارائه میدهد. این روش شامل هیدرولیز اسیدي زیست توده به منظور تولید کربوهیدراتهاي ساده از پلی ساکاریدهاي موجود در زیست توده و سپس آبگیري کاتالیز شده با اسید از محلول حاوي این کربوهیدراتها به منظور تولید مشتقات فورانی میباشد. با توجه به اینکه پلیساکاریدهاي موجود در زیست توده عموماً از واحدهاي ساختاري پنتوز و هگزوز تشکیل شدهاند لذا مشتقات فورانی تولید شده در مرحله آبگیري عمدتاً فورفورال و هیدروکسی متیل فورفورال - HMF - میباشند که به ترتیب از آبگیري پنتوزها و هگزوزها تولید میشوند. در مرحله بعد مشتقات فورانی تولید شده از واکنش آبگیري متحمل واکنش خود تراکمی یا تراکم آلدولی متقاطع با دیگر ترکیبات حاوي گروه کربونیل میشوند. سپس محصولات این واکنشهاي تراکمی ابتدا هیدروژنه و سپس محتمل واکنش هیدروداکسیژناسیون - آبگیري/ هیدروژناسیون - شده تا ترکیبی متشکل از آلکانها با تعداد اتمهاي کربن در محدودة آلکانهاي تشکیل دهندة سوخت جت تولید کنند. با استفاده از این روش نو و کارآمد میتوان هر نوع کربوهیدرات به دست آمده از زیست توده را به آلکانهاي مایع با طول زنجیرة کربنی C8-C15 تبدیل نمود.

واژههاي کلیدي:  سوختجت، آبگیري، فورفورال، هیدروکسیمتیلفورفورال، تراکمآلدولی،  هیدروژناسیون، هیدروداکسیژناسیون

-1 مقدمه

پشتوانه اقتصادي جوامع بشري به میزان زیادي بستگی به بهرهوري از منابع انرژي دارد. تهی گشتن این منابع تهدیدي جدي براي اقتصاد جهانی محسوب میگردد. در حال حاضر اصلیترین منابع انرژي مورد استفادة بشر، سوختهاي فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی میباشند که عملاً سوختهایی غیر قابل بازیافت و منابعی برگشت ناپذیر و تجدید نشدنی هستند. مسئله بحران انرژي که در نتیجه مصرف بیرویه سوختهاي فسیلی، محدود بودن و عدم امکان بازیافت این منابع در سراسر جهان به وجود آمده است علاوه بر ضرورت استفادة بهینه و به جا از سوختهاي فسیلی، ضرورت جایگزین کردن منابع انرژي دیگر را نیز میطلبد.

برخی از منابع جدید انرژي عبارتند از: انرژي باد، انرژي خورشیدي، جزر و مد، زمینگرمائی و... . استفاده از این نوع انرژيها به دلیل گران بودن تکنولوژي تولید محدود بوده و هزینه تولید آنها بیش از آن است که بتوانند بخش قابل ملاحظهاي از انرژي مورد نیاز بشر را تأمین کنند؛ از این رو تلاشهاي بسیاري براي دستیابی به منابع مطمئن و ارزانتر انرژي صورت گرفته است که در نتیجه آن امیدهاي فراوانی به بهرهبرداري از انرژي زیست توده در قالب »سوخت زیستی«1 میرود. طی چند سال اخیر تحقیقات بسیاري در جهت تولید سوختهاي مایع هیدروکربنی از جمله بنزین، سوخت جت و سوخت دیزلی از زیست توده صورت گرفته است .[1]

در این مقاله روشی براي تهیه ترکیبی از آلکانها که براي استفاده به عنوان سوختهاي مایع حمل و نقل و به ویژه سوخت جت مفید میباشند ارائه شده است. این روش شامل هیدرولیز اسیدي زیست توده به منظور تولید کربوهیدراتهاي ساده از پلیساکاریدها و سپس آبگیري کاتالیز شده با اسید از محلول حاوي این کربوهیدراتها به منظور تولید مشتقات فورانی می باشد. در مرحله بعد مشتقات فورانی تولید شده از واکنش آبگیري متحمل واکنش خود تراکمی یا تراکم آلدولی متقاطع با دیگر ترکیبات حاوي گروه کربونیل میشوند. سپس محصولات این واکنشهاي تراکمی ابتدا هیدروژنه و سپس محتمل واکنش هیدروداکسیژناسیون - یعنی آبگیري/ هیدروژناسیون - شده تا ترکیبی متشکل از آلکانها با تعداد اتمهاي کربنی در محدودة آلکانهاي تشکیل دهندة سوخت جت تولید کنند. با استفاده از این روش نو و کارآمد میتوان از کربوهیدراتهاي به دست آمده از زیست توده، آلکانهاي مایع با طول زنجیرة کربنی C8-C15 تهیه نمود.

-2 سوخت زیستی، سوخت آینده

سوخت زیستی یا سوخت سبز که در چند دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است سوختی است که از منابع زیستی تجدیدپذیر تحت عنوان زیست توده به دست میآید. زیست توده شامل بقایاي موجودات زنده و از جمله بقایاي گیاهان میباشد. این سوخت تا جایی اهمیت پیدا کرده است که به آن »سوخت آینده« نیز میگویند .[2] اتانول، متانول، سوخت دیزل مایع و سوختهاي دیزل گازي مانند هیدروژن و متان از انواع سوختهایی هستند که میتوان از زیست تودهها تهیه نمود. در این میان سوخت دیزلی زیستی و اتانول زیستی که به ترتیب بیودیزل1 و بیواتانول2 نامیده می شوند به دلیل محتواي انرژي بیشتر و سازگاري با زیرساختهاي سوختی - از جمله خطوط انتقال سوخت و نوع موتور در وسایط حمل و نقل - از اهمیت بیشتري برخوردارند و با اندکی تغییر و یا گاهی اوقات بدون نیاز به هیچگونه تغییري در موتور و سیستم خودرو قابل استفاده هستند .[3]

بیواتانول در واقع همان الکل خوراکی است که از مواد اولیهاي با منشأ زیستی - مانند منابع سلولزي، قندي و نشاستهاي همچون گندم، ذرت، چغندر قند و نیشکر - تولید میگردد و نوعی سوخت الکلی جایگزین براي بنزین است. مخلوط بیواتانول با بنزین را که گازول3 نامیده میشود، میتوان در موتورهاي معمولی با درصد کم و در موتورهاي تغییر یافته با درصدهاي بالاتر مورد استفاده قرار داد .[4] یکی از مهمترین چالشها در تولید بیواتانول این است که انرژي خالص تولید شده توسط این سوخت با توجه به هزینههاي مصرفی براي تولید آن، چندان زیاد نیست. بیودیزل سوختی بر پایه روغن گیاهی یا چربی حیوانی است که جایگزین مناسبی براي سوختهاي دیزلی سنّتی بوده و عموماً از واکنش شیمیایی یک چربی %80 - روغن گیاهی یا حیوانی -

با یک الکل - معمولاً %20 متانول - و اندکی سود، از طریق یک واکنش استریفیکاسیون4 بدست میآید و ساختار آن یک آلکیل استر زنجیره بلند میباشد ژ5ب. در واقع مواداولیه این سوخت، شامل روغنهاي خوراکی و غیرخوراکی و پسماندهاي روغن مصرفی در منازل است ژ6 و7ب. از جمله روغنهاي خوراکی قابل استفاده براي تولید این سوخت میتوان به روغن ذرت، سویا، آفتاب گردان و کلزا اشاره کرد ژ8ب.این سوخت براي خودروها و ماشینآلات دیزلی کاملاً مناسب بوده و می تواند بدون هیچ تغییري در موتورهاي دیزل و یا به صورت ترکیب با هر مقدار از سایر دیزلها مورد استفاده قرار گیرد ژ9ب.

به عقیدة منتقدان استفاده از این سوختهاي زیستی مهمترین فاکتوري که استفادة گسترده از این منبع نسبتاً جدید و تجدیدپذیر را با مشکلات عمدهاي مواجه میسازد، مسئله به خطر انداختن امنیت غذایی در کل جامعه بشري است. با توجه به اینکه این سوختها غالباً از گیاهان به دست میآیند، توجه به این نکته لازم است که تولید این نوع گیاهان نیاز به زمین قابل کشت فراوان، مواد شیمیایی و ماشینهاي کشاورزي دارد که هر یک به نوبه خود ملاحظات زیست محیطی خاصی دارد. به عنوان نمونه براي استفاده از محصولات روغنی مانند روغن سویا، آفتابگردان و کلزا که از مؤثرترین منابع تولید بیودیزل هستند، و یا استفاده از جو، گندم و ذرت براي تولید اتانول، باید حجم قابل ملاحظهاي از این محصولات کشاورزي را به تولید رساند تا بتوان سوخت خودروها را فراهم کرد ژ10ب. وجود چنین مشکلاتی، تولید این سوختهاي زیستی را با چالشهاي بسیاري مواجه ساخته است. در حقیقت اگر چارهاي براي حل این مشکلات اندیشیده نشود در آینده شاهد رقابتی ناخواسته میان انسانها و خودروها براي تامین انرژي خواهیم بود و انسانها میبایست از میان سوخت و غذا یکی را انتخاب کنند.

-3 جایگزین غیرنفتی براي بنزین، سوخت جت و سوخت دیزل؛ واقعیت یا رؤیا ؟