Biodiesel

ไบโอดีเซล

น้ำมันพืชเป็นผลิตภัณฑ์ชนิดหนึ่งที่ได้จากพืช ซึ่งมีการนำไปใช้ประโยชน์ที่หลากหลาย เช่น การบริโภคเป็นอาหารโดยตรง การปรุงอาหารในครัวเรือน (Cooking) และวัตถุดิบในอุตสาหกรรมอาหาร ยา เครื่องสำอาง และผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล (Personal care products) น้ำมันพืชที่มีกำลังการผลิตสูงลำดับต้น ๆ ของโลกจะเป็นน้ำมันชนิดกินได้ (Edible oil) ได้แก่ น้ำมันปาล์ม (Palm oil) น้ำมันถั่วเหลือง (Soybean oil) น้ำมันเมล็ดเรป (Rapeseed oil) และน้ำมันเมล็ดดอกทานตะวัน (Sunflower seed oil) ซึ่งพืชที่ให้น้ำมันเหล่านี้มีการเพาะปลูกในภูมิภาคต่าง ๆ ของโลกตามความเหมาะสมของสภาพภูมิประเทศ จากปัญหาด้านวิกฤตพลังงานและสภาวะโลกร้อน (Global warming) การนำน้ำมันพืชมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในภาคการขนส่งทั้งทางถนน ทางเรือ และทางอากาศ จึงได้รับความสนใจมากขึ้น แม้ว่าน้ำมันพืชสามารถเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซลได้ แต่การใช้งานจริงมักประสบปัญหาเรื่องความหนืด การอุดตันหัวฉีดน้ำมัน และประสิทธิภาพการเผาไหม้ต่ำ

โครงสร้างโมเลกุลของน้ำมันพืชเป็นไตรกลีเซอไรด์ (Triglycerides) ซึ่งเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ มีความหนืดสูง จุดเดือดสูง ระเหยยาก และค่าความร้อนต่ำ โมเลกุลไตรกลีเซอไรด์ประกอบด้วย กรดไขมัน (Fatty acids) 3 โมเลกุล เชื่อมต่อกับกลีเซอรอล (Glycerol) 1 โมเลกุล ด้วยพันธะเอสเทอร์ ชนิดของกรดไขมันที่เป็นองค์ประกอบในไตรกลีเซอไรด์มีความแตกต่างกันตามชนิดของน้ำมันพืช ซึ่งอาจมีตั้งแต่กรดไขมันขนาดกลาง (Medium-chain fatty acids) เช่น กรดคาไพรลิก (Capryric acid, C₈H₁₆O₂: C8:0) กรดคาพริค (Capric acid, C₁₀H₂₀O₂: C10:0) กรดลอริก (Lauric acid, C₁₂H₂₄O₂: C12:0) เป็นต้น ไปจนถึงกรดไขมันขนาดใหญ่ (Long-chain fatty acids) เช่น กรดปาล์มิติก (Palmitic acid, C₁₆H₃₂O₂: C16:0) กรดโอเลอิก (Oleic acid, C₁₈H₃₄O₂: C18:1) กรดสเตียริก (Stearic acid, C₁₈H₃₆O₂: C18:0) เป็นต้น ทำให้จำนวนคาร์บอนที่อยู่ในไตรกลีเซอไรด์อาจมีได้มากถึง 50 อะตอมต่อโมเลกุล ขณะที่โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนในน้ำมันดีเซลมีจำนวนคาร์บอนในช่วง 14–18 อะตอม ดังนั้นการนำน้ำมันพืชไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซลได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องปรับแต่งเครื่องยนต์ จำเป็นต้องลดจำนวนคาร์บอนของโมเลกุลน้ำมันพืชและการปรับสมบัติอื่น ๆ ของน้ำมันพืชให้สอดคล้องกับสมบัติของน้ำมันดีเซลจากปิโตรเลียม

การแปรรูปน้ำมันพืชเป็นเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน (Fatty acid methyl esters, FAME) หรือไบโอดีเซล (Biodiesel) โดยใช้ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน (Transesterification) เป็นกระบวนการหลักที่นิยมใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน กรรมวิธีในกระบวนการนี้อย่างคร่าว เริ่มจากการนำน้ำมันพืชผสมกับเมทานอลในอัตราส่วนโดยโมลของเมทานอลต่อน้ำมันพืชเท่ากับ 6:1 และเติมตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์ (Alkali catalysts) เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ (Sodium hydroxide, NaOH) โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (Potassium hydroxide, KOH) ประมาณ 0.5–1.5 % โดยน้ำหนักของน้ำมันพืชที่ใช้ จากนั้นปั่นกวนของผสมเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่อุณหภูมิประมาณ 65 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 30–60 นาที ผลิตภัณฑ์ที่ได้แยกออกเป็น 2 ชั้น โดยชั้นบนเป็นชั้นของ FAME ส่วนชั้นล่างเป็นชั้นของกลีเซอรอลดิบ (Crude glycerol) ซึ่งทั้งสองส่วนจะนำไประเหยแยกเมทานอลที่เหลือออก จากนั้นเติมกรดใน FAME เพื่อปรับสภาพให้เป็นกลาง ล้างเกลือที่เกิดขึ้นออกโดยใช้น้ำ และระเหยแห้ง จะได้ผลิตภัณฑ์ไบโอดีเซลที่ต้องการ ซึ่งตามข้อกำหนดมาตรฐานของไบโอดีเซล (EN14103) เชื้อเพลิงไบโอดีเซลต้องมีความบริสุทธิ์ไม่ต่ำกว่า 96.5% สำหรับกลีเซอรอลดิบ สามารถนำไปเพิ่มความบริสุทธิ์โดยวิธีการกลั่นเพื่อผลิตกลีเซอรอลเกรดยา (Pharmaceutical grade glycerol) ซึ่งใช้เป็นส่วนผสมในอาหาร ยา เครื่องสำอาง และผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล (Personal care products)

ไบโอดีเซลที่ผลิตได้นั้นนอกจากจะมีคุณสมบัติส่วนใหญ่ที่ใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซลจากปิโตรเลียมแล้ว ยังเป็นเชื้อเพลิงที่มีความปลอดภัยในการใช้งานเนื่องจากมีค่าจุดวาบไฟที่สูง (Flash point) มีสมบัติการหล่อลื่นที่ดี (High lubricity) ไม่เป็นพิษ (Nontoxicity) และย่อยสลายได้ด้วยกระบวนการทางชีวภาพ (Biodegradability) นอกจากนี้ไบโอดีเซลยังเกิดการเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์มากกว่าน้ำมันดีเซลจากปิโตรเลียม จึงช่วยลดการเกิดเขม่าควัน และไอเสียจากการเผาไหม้ไบโอดีเซลไม่มีแก๊สซัลเฟอร์ออกไซด์ เนื่องจากน้ำมันพืชที่เป็นวัตถุดิบในการผลิตไบโอดีเซลไม่มีสารประกอบซัลเฟอร์เป็นองค์ประกอบ ดังนั้นไบโอดีเซลจึงเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ (Biofuel) ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและสามารถใช้ทดแทนน้ำมันดีเซลจากปิโตรเลียม

ที่มา: Jawad Nagi et al.